有限元计算在某型自卸船建造工艺中的应用

胡 晨

（中船澄西船舶修造有限公司设计部，江苏 江阴 214400）

0 引言

26000 DWT自卸船货舱为大开口结构，横向跨度大，间甲板结构相对较弱，单点装载系统对其形变要求很高，同时还需评估挠度对舱口盖产生的影响[1]。由于在建造新船型方面的相关经验又有所欠缺，通过学习先进技术策划研究建造工艺和工法，借助自主计算来评估其强度及刚度情况[2-4]。本文借用MSC.Patran和Nastran软件对间甲板区域进行有限元计算分析，研究造船工艺工法，提高生产效率，降低生产成本，保证公司船舶的顺利建造与交付。

1 装载系统建造工艺工法研究

26000 DWT自卸船主甲板反顶设置一套单点装货系统，需要在甲板下构建操作平台反吊在甲板上，共有14个间甲板设计了管子单元单点运输装置，因横向结构相对较弱，甲板板厚较薄，结合船型特点开展工艺工法研究，确保吊装强度，减少变形。

1.1 甲板总段方案研究

甲板分段反顶设计了单点运输装置，对比采用传统方法船台、船坞吊装定位，增加吊装难度和风险、装配脚手搭设等工作量，影响合拢周期效率低下。研究采用总段阶段安装单点运输装置，甲板上安装横向舱口围的建造方式增加强度。

1.2 甲板总段制作方案策划

甲板502～504、506～509、512、514～517、519、520分段与横向舱口围总组焊接后正态安装单点运输支架。结合总段铺墩图（见图1）提前放置单点运输支架到指定位置，按照图纸尺寸要求完成总段胎架，甲板左右两端向下放5 mm反变形。甲板吊装拼接后检查控制甲板的平整度和梁拱，必要时火工调整甲板变形来确保平整度，甲板与胎架应焊接固定，减少变形。

图1 总段支撑示意图

1.3 舱口围安装焊接要求

甲板拼接焊后吊装横向舱口围，检查舱口围面板的平整度腹板垂直度，平整度±3 mm、垂直度±4 mm，精度检查合格后，舱口围需加强固定后焊接，按照焊接原则工艺控制焊接顺序防止甲板过度变形后影响单点运输支架安装，焊接顺序示意图如图2所示。

图2 焊接顺序示意图

1.4 总段方案评估

甲板总段按以上研究方案实施后增加了横向舱口围和单点支架，舱口围传统方式在船台阶段搭载，对比现方案在总段阶段安装舱口围可增加甲板强度，故需要开展有限元计算等方式进行强度和刚度校核，确保总段吊装定位不变形[5-6]。

2 有限元计算

26000 DWT自卸船主甲板总段方案策划需校核强度，减少吊装变形。针对总段复杂形状变形体，需完整获取在复杂外力作用下内部准确力学信息。在准确进行力学分析的基础上，设计师应对该总段进行强度、刚度等方面评判，以便对不合理的设计参数进行修改，以得到较优化的设计方案。

2.1 模型选取与创建

由于全船间甲板有3种不同规格的宽度（2450 mm、4890 mm、14650 mm），而2个较宽的间甲板梁下方均有槽型舱壁支撑，因此选宽度为2450 mm的较弱间甲板；与间甲板相连的顶边舱甲板又有几种不同规格的板厚，选最薄的13 mm进行建模计算。

模型纵向范围从FR236到FR239，即与间甲板对接的两档强框架，跨度ΔX=2450 mm；横向范围从左舷外板至右舷外板，因为靠近艏部区域，外板模型涉及曲面，跨度ΔY≈23756 mm；垂向范围为11305平台以上的全部结构，包括舱口围结构。由于此次评估主要以形变为主，因此整个模型全部以二维壳单元进行模拟。间甲板中间正下方为单点卸货系统，系统轨道架设于圆管支架之上，圆管支架采用一维梁单元建模并附截面属性[7-9]。

此次计算采用网格直接建模方式，整体模型不是相当大，因此除特殊位置外，网格大小为上限250 mm，下限150 mm，平均为200 mm×200 mm，即肋距为813.33 mm分四等分；横向档距为725 mm分三等分。

2.2 材料属性及边界条件设置

本模型共有A级钢与高强度AH36钢2种规格，其杨氏模量均为2.06×105N/mm2，泊松比为0.3，剪切模量为79230 N/mm2，密度为7.85×10-9t/mm2。板厚属性按照退审图纸，选取其建造厚度赋予。

在间甲板大跨度两端设置为简支约束，即左端面11305平台约束为δx=δy=δz=0，θy=θz=0，右端面11305平台约束为δx=δz=0，θy=θz=0；在前后剖面的强结构处，仅约束纵向位移，即δx=0。

2.3 载荷与工况设定

单点卸货系统轨道贯穿于整个货舱区域，圆管支架受力载荷取最大情况，为28 t，即4个点位每点7 t集中力；结构自重为重力释放方式加载；舱口盖结构重量等效到舱口围上为单边3 t均布载荷，见表1。

表1 载荷分布情况表

2.4 分析计算结果

将设置好的完整模型提交静力计算，根据计算结果的应变云图显示，最大船体结构变形为14.4 mm，位于间甲板最中间位置处；最大应力64.7 MPa，位于圆管支架与间甲板连接处，如图3所示。

图3 应力应变云图

3 经验计算

3.1 求解挠曲线方程

设定此间甲板满足“平断面假定”，即假定梁在弯曲前的横断面在弯曲后仍为平面[1]。梁两端的位移边界条件设定为两端简支，即两端点挠度为0，ν0=0，νL=0；且两端点的弯矩为0，M0=ELν”=0，ML=0。

将上述左端挠度与弯矩条件代入挠曲线方程：

再将右端挠度与弯矩条件代入式（1），且对式（1）求二阶导可得：

解此二元一次方程组得：

将以上解重新代入到挠曲线方程，可得：

3.2 求解剖面惯性矩

间甲板梁的剖面由1块宽度2450 mm，厚度10 mm主甲板、前后各1块高度1025 mm，厚度11 mm的舱口盖腹板、腹板顶部各1块长度400 mm，厚度20 mm的舱口盖顶板、腹板中部前后各1块180×8的球扁钢、以及间甲板下方前后各1块200×10的球扁钢组成。由于整体结构呈左右对称，所以其重心X=0 mm；将每块板各自的重量重心加权平均，算得其Y向重心位置为Y=406.91 mm。

得：Ix≈1.38 × 1010mm4

3.3 计算最大挠度

长度L为1.6×104mm，弹性模量E为2.06×105MPa。自身重量约25.6 t，等效为2.56×105N均布载荷设置；舱口盖两边各3 t，等效为6×104N均布载荷设置，因此均布载荷q的值为19.75N/L；单点卸货系统等效为2.8×105N集中载荷设置，受力在间甲板梁正中部。将上述条件代入式（2）解方程，得：

得ν≈14.31 mm。

此结果与有限元分析计算的应变结果相当接近。

表2 甲板总段定位数据表

序号 分段名 检查位置1/mm检查位置3/mm 6 508+7014+7015 4 -5 1 7 509+7016+7017 5 -4 4 8 512+7022+7023 2 -3 3 9 514+7026+7027 4 -4 3 10 515+7028+7029 2 -2 4 11 516+7030+7031 3 -2 4 12 517+7032+7033 2 -3 3 13 519+7036+7037 4 -4 2 14 520+7038+7039 5 -5 4检查位置2/mm

4 结语

本文采用了2种方法对26000 DWT自卸船间甲板进行强度与刚度校核。刚度方面：整个间甲板横跨梁呈现中间逐渐下沉趋势，有限元计算应变最大结果为14.4 mm，于间甲板最中间部位；经验公式计算最大挠度为14.31 mm，于间甲板最中间部位。两者结果相当接近，且结果满足建造与验收需求；强度方面：整个模型最大应力为64.7 MPa，于间甲板中部球扁钢与圆管支架相连位置，此处结构为AH36高强度钢，屈服强度为355 MPa，接近5.5倍安全系数，因此强度也满足相关要求。经精度管理现场管控甲板总段定位最大变形约10 mm（舱口盖未安装时数据），整体数据可控，满足精度要求。