基于ANSYS的船体局部结构强度直接计算方法研究

胡文

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

锚泊设备作为船舶停靠的重要装置，在多数船舶上通常安装于舰船艏部，而锚泊设备的重量较大，所以通常需要校核其安装位置的局部强度。而不同的支撑结构和安装位置，其局部结构强度会有所不同。所以需要寻找适用的结构强度计算方法。

关于船体结构强度计算方法研究的学者较多。其中，许璠璠[1]等人对典型工况下的起重船舱段和起重基座进行了局部结构强度分析，提出了有关起重船局部强度方面的合理建议。王为将[2]应用MSC.Patran/MSC.Nastran 软件对浮吊工程船吊机基座及船体结构局部强度进行直接计算，其计算结果符合应力要求，此方法适合吊机基座局部强度校核。邵伟[3]等人分析比较了吊机局部模型和全船模型结果，提出在计算局部强度时，应考虑总纵强度的影响。赵尚辉[4]等人以全船的有限元计算结果为计算边界，对救生船中央月池开口部位的应力集中问题进行了有限元分析，并与光弹性试验结果进行比较，结果较为吻合。徐应芬[5]等人运用有限元方法对拖钩支撑结构强度进行计算,分析了建模范围,载荷和边界条件的施加，并对计算结果进行了分析。

本文采用ANSYS 软件建立局部模型，施加载荷并进行计算。对工作船锚泊设备下的局部船体结构强度进行了有限元计算分析，并结合CCS 规范[6][7]对船体结构强度进行了校核。

1 设备简介

某柴油船的锚泊设备安装于船舶的艏楼甲板，其中，对甲板结构产生较大作用载荷的锚泊设备有锚机、挚链器、导链滚轮。为支撑甲板设备，在锚泊设备反面做局部加强结构。

表1 锚泊设备位置

直接计算参考2021年版《国内航行海船建造规范》，以下简称“《钢规》”。和《材料与焊接规范》（2018）及2019 修改通报，以下简称“《材规》”。

2 局部构件强度直接计算

2.1 有限元模型

采用ANSYS14.5 软件对各个局部结构进行有限元建模。计算采用的单位制为N-s-mm。坐标系统采用右手坐标系，在X 轴向船首为正方向，Y 轴向左舷为正方向，Z 轴向上为正方向，模型见图1。

图1 有限元模型

模型主要采用板壳单元和梁单元建立。其中，甲板、舷侧板、船底板等板壳结构和一些较大的肘板采用板壳单元建立；各种普通横梁、肋骨、加强筋等采用梁单元建立。而模拟载荷作用点则采用MPC 单元建立。

2.2 计算工况及载荷

2.2.1 计算工况

计算工况按照三个主要设备分为三个工况。LC1：锚机甲板加强计算；LC2：掣链器甲板加强计算；LC3：导链滚轮甲板加强计算。

图2 加载区域示意图

2.2.2 计算载荷

根据《钢规》对锚泊设备计算载荷的规定，计算不同设备的计算载荷。本文中的锚链破断负荷为655kN，对于带擎链器的锚机，计算载荷为锚链破断载荷的45%；对于擎链器，计算载荷为锚链破断载荷的80%；对于导链滚轮，计算载荷为锚链破断载荷的合力。将各计算载荷按照分力的形式加到MPC 上。计算载荷如表2所示。

表2 计算载荷

2.3 强度校核

按《钢规》，本次计算的许用应力如表3所示。

表3 船体各构件许用应力

其中，Ref为材料的屈服应力。

各种工况下，构件的计算应力不大于其许用应力值，其中构件的许用应力值为材料的屈服强度。Q235钢的板单元的von Mises 相当应力为235MPa，剪应力为235×0.6 =141MPa，杆单元及梁单元的最大合成应力为235MPa。

表4 应力结果汇总表

图3 各工况下甲板最大Mises 应力云图

3 结论

本文以某柴油船为研究对象，运用ANSYS 软件建立船舶局部模型，使用直接计算方法对锚泊设备处的局部构件强度进行了有限元分析，并结合计算结果与规范中有关规定，对锚泊设备处的局部强度进行了校核。运用有限元进行局部建模及计算，可以更为真实的反应船舶锚泊设备处的局部结构的应力水平。这对于更准确与合理地评估局部载荷作用下的局部结构强度计算具有一定的指导借鉴意义，同时为完善船舶局部强度直接计算方法的理论体系提供了一定的技术经验和积累。