链斗式挖沙船结构强度的分析

(武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050)

链斗式挖沙船结构强度的分析

喻霁朱显玲

(武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050)

链斗式挖沙船是一种新兴的内河工程船，该船具有超长开口，故其结构强度需要进行计算机仿真计算。本文采用大型有限元计算软件MSC.Patran & Nastran 进行强度校核，对该种船舶的结构设计提供一种有效的解决方案。

有限元;链斗式挖沙船;双体船网格细化

目前国内内河市场对链斗式挖沙船的需求正不断增长，这种新兴的工程船舶工作效率高，但因为其采用类似双体船舶的结构设计，没有形成完整的箱型梁结构，故检验其总体强度能否达到设计要求已成为船舶送审设计工作中最重要的一环。由于此类船舶诞生不久，相应的船舶规范不完善，常常要求采用有限元计算软件来进行计算机仿真。本文采用通用大型有限元计算软件MSC.Patran & Nastran进行船体结构强度直接计算[1]，并根据不同时期的船舶规范进行分析，为此类船舶的结构设计提供一种较合理的解决方案。

1 以双体船为参考的计算模型

在2016年之前，中国船级社的内河船舶建造规范里，关于链斗式挖沙船只有简单的计算公式，并没有有限元计算的明确规定[2]，因为此类船舶还属于新兴船型，笔者参与的武汉船院船舶系的横向课题：双燃料系统38 m链斗式挖沙船技术设计，为湖北省地区第一条双燃料链斗式挖沙船，于2015年底完成送审工作。由于相关的参考案例很少，又没有对应的规范，经过和武汉海事局的船检人员讨论后，决定采用双体船的计算要求来校核，将船尾无开口处的结构看做连接桥，用有限元软件来计算总纵强度、横向强度及扭转强度，由于篇幅有限，此处只介绍横向强度的计算。

1.1 船舶参数

研究对象为：38 m双燃料链斗式挖沙船，其船型参数如表1。

表1 船型参数

1.2 船舶有限元模型

根据规范要求，进行全船板梁组合有限元建模，如图1所示，采用坐标系如下：

船长： X 首部为正

船宽： Y 左舷为正

型深： Z 甲板为正

图1 38 m链斗式挖沙船整体模型

1.3 计算模型边界条件

根据2014年的内河船舶建造规范对于双体船舶的直接计算要求，边界条件如图2所示。

图2 计算模型边界条件

在纵中剖面首尾端取A点和B点，一端舷侧中部取C点，在A点约束x，y，z三个方向的线位移，在B点约束y，z方向的线位移，在C点约束z方向的线位移。

1.4 计算载荷计算与施加方法

按内规要求，将钢料重量以密度的方式施加在模型上，舾装及机电重量以均布载荷的方式施加在对应位置，同时，双体船连接桥垂向剪力按下式计算：

式中：Mbx—连接桥总横弯矩，KN·m;Z—横向对开力施加点至连接桥中纵剖面中和轴的垂向距离,取0.95 m；n—片体施加横向对开力的强框架总数。

其中连接桥总横弯矩按下式计算：

616.268kN·m

式中：Δ—双体船排水量，根据静水力计算书，本船的Δ=314.102 t;bc—任一片体中心线距至连接桥计算剖面的距离，取2.00 m；s—航区系数，按规范选取，本船航区为C级航区，取10.0。

将计算得到的对开力施加到横向强框架内侧舭部的节点上，如图3所示。

图3 计算应力云图及分析

1.5 计算应力云图及分析

全船计算应力云图(部分)如图4所示，可以看到，在连接桥处的应力较大，这和实际情况是吻合的，但纵舱壁和连接桥的角隅处的应力集中现象没有得到体现，且由于链斗式沙船的连接桥并没有贯穿首尾，主要集中在尾部，造成艏部应力过大。同时也没有考虑波浪载荷的影响，与实际情况有所差距。

图4 38 m链斗式挖泥船应力云图

2 2016年新规范颁布以后的计算模型

由于链斗式挖沙船的需求不断增加，中国船级社于2016年修改了内河钢制船舶建造规范，在船体部分第十章增加了附录二，明确了此类船舶的直接计算方法，要求采用有限元计算总纵强度和局部强度[3]。这里主要介绍局部强度的计算。

2.1 船舶参数

研究对象为：39.8 m链斗式挖沙船，其船型参数如表2。

表2 船型参数

2.2 船舶有限元模型

在2016的新规范中，进行全船板梁组合有限元建模，如图5所示。

图5 39.8 m链斗式挖沙船整体模型

要求对开槽端壁和开槽纵壁连接区域的网格进行细化，细化网格尺寸不大于50 mm×50 mm，网格划分使细化区域向粗网格区域平稳过渡，如图6所示。

图6 开槽处模型网格细化

2.3 计算模型边界条件

在尾部临近横端壁的横向强框架平面各节点施加全位移约束，即Ux=Uy=Uz=0, θx=θy=θz. 如图7所示。

图7 局部强度计算边界条件

2.4 载荷计算与施加方法

按内规附录二要求，计算时应使开槽区左右边浮舱处于如下状态：

(1)左舷边浮舱落在半个余弦波长上(余弦波波高取1.5 m)，其尾端(开槽横端壁处)位于波谷，首端(艏封板)位于波峰。

(2)右舷边浮舱落在半个余弦波长上(余弦波波高取1.5 m)，其尾端(开槽横端壁处)位于波峰，首端(艏封板)位于波谷。

2.5 计算应力云图及分析

从计算云图可以看到，主要校核的区域是开槽端部，而越靠近开槽处的应力也是越大，这和实际情况完全一致。

图8 39.8 m链斗式挖泥船应力云图

同时由于开槽端部采取细网格处理，使得应力集中的现象得到了模拟，如图9所示，且载荷以波浪的形式施加，和现实情况吻合，所以我们可以明显地看到，在最新规范修订过后，该船型的结构计算更加的贴近实际，更加准确。

图9 网格细化区域应力云图

3 结 语

链斗式挖沙船作为一种结构复杂的工程船，不仅对设计者，就是对于规范制定者的船级社来说，要合理地评估其结构强度都是很困难的一件事，任何新船型诞生后，都需要船检和设计部门共同努力，不断探索，不断修正，才能得到一套比较完善的计算方案。笔者参与了多条链斗式挖沙船的结构计算工作，切身感觉到该船结构计算要求不断提高，可以预见将来该船型的计算方法还会有所改变。

1 刘兵山．Patran从入门到精通[M]．中国水利水电出版社，2003：31-60.

2 中国船级社.钢质内河船舶建造规范2014综合文本[P].中国.2014.

(责任编辑：谭银元)

StructuralStrengthAnalysisandResearchoftheChainBucketDredger

YUJi，ZHUXian-ling

(Wuhan institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050,China)

The chain bucket dredger is a new kind of inland river engineering ship. The ship has long openings, so its structural strength needs to be calculated by computer aided engineering. In this paper, large-scale finite element calculation software MSC.Patran & Nastran are used for strength check, and an effective solution was provided for the ship structure designing.

finite element method; chain bucket dredging ship; catamaran mesh refinement

2017-02-07

喻 霁，男，讲师，主要从事船舶制造与维修方面的教学和科研工作。

U674.3

A

1671-8100(2017)02-0017-03