随着航运业的发展,过去主要用于军用舰船的双桨双舵船舶得到越来越广泛的应用[1],特别是在大型 LNG 运输船中开始大量应用。大型船舶配备双桨双舵,可以使其具有更加灵活自主的操纵性能,并可实现安全、高效和节能等目的。在对船舶经济性和安全性要求不断提高的现代社会,双桨双舵船舶的应用领域将会不断扩大。因此,对双桨双舵船舶建造技术的研究,将具有重要的理论和工程意义。
随着结构应力分析理论和实验技术的发展,船体结构设计和材料使用的日趋经济合理[2],船体结构在极端条件下的强度问题就日益突出起来,这已经成为国际船舶结构力学领域近期的一个热点研究课题。目前,极限强度计算方法大致有简化计算方法、直接计算方法、有限元方法的几种。简化计算方法虽然计算速度快,使用方便,但由于过多简化而显得精度不够。有限元方法[3-4]是解决复杂工程结构问题的强有力工具,在结构非线性分析中,大型有限元程序如 PATRAN,NASTRAN,DYTRAN,MARC,Ansys 和 ADINA 等发挥着越来越重要的作用,利用它们同时考虑几何和材料的非线性,可得到船体结构的极限强度值。
1 有限元计算模型以国内首制 3 万方 LNG 运输船主推进区域船体结构进行强度计算[5],船舶主尺度见表 1。由于本船采用双轴系,左右对称布置。因此,计算模型的范围为沿船纵向从船尾到 10 号肋位,沿船宽方向从左舷舷侧到中纵剖面,沿垂向自船底向上至 12 500 平台。
有限元计算应用 MSC 公司有限元计算软件 MSC.PATRAN&NASTRAN 完成。
有限元模型包括了主推进器区域结构的主要构件,如外板、平台板、舱壁、桁材等[6-7]。计算模型的外板、平台板、舱壁板及桁材腹板等主要构件均模拟为 4 节点或 3 节点板单元,外板横骨、平台纵骨、舱壁扶强材、桁材面板以及支柱等次要构件均模拟为 2 节点梁单元。
有限元模型建立在 XYZ 右手笛卡尔坐标系统,坐标原点位于 FR0 横剖面和 B.L. 的交点处,坐标轴的方向如下:X 轴指向船首;Y 轴沿船宽方向指向左舷;Z 轴由船底垂直指向甲板。
有限元网格按照肋距和骨材间距进行尺度划分。有限元模型如图 1 所示。
三维有限元模型中的构件尺寸源于船体分段结构图,模型中构件采用建造厚度。
船体钢材的物理参数为下:杨氏模量 E = 2.06 × 105 N/mm2,泊松比 μ = 0.3,密度 ρ = 7.85 × 10-9 t/mm3。
1.3 边界条件有限元模型的边界条件[8]取法如下所述:
对于 FR10 横剖面上所有节点,约束 X,Y,Z 三方向线位移;
对于 12 500 平台上所有节点,约束 X,Y,Z 三方向线位移;
对于船中纵剖面的横舱壁截面上的节点,约束 Y,Z 方向线位移和 X 方向角位移;
对于船中纵剖面的平台截面上的节点,约束 X,Y 方向线位移和 Z 方向角位移;对于船中纵剖面的外板截面上的节点,约束 X,Y 方向线位移和 Z 方向角位移。
有限元模型的边界条件如图 2 所示。
计算工况根据舵螺推进器的转角来选取。
工况 1:舵桨推进器向左舷旋转 35°;
工况 2:舵桨推进器向左舷旋转 15°;
工况 3:舵桨推进器转角为 0°;
工况 4:舵桨推进器向右舷旋转 15°;
工况 5:舵桨推进器向右舷旋转 35°;
对于每一个工况,计算载荷由以下几部分组成:
1)舵桨推进装置的重量约为 111 t;
2)船体运动的垂向加速度约为 5.977 m/s2,根据 ABS《Rules For Building and classing steel vessels 2012》的计算方法得出(见表 2)。
表中:V 为最大服务航速,kn;V1 为航速,kn;Tsc 为结构吃水,m;TLC 为吃水,m;Cb 为方形系数;x 为船长方向坐标,m;y 为船宽方向坐标,m;Uroll 为横摇周期,s;θ 为横摇角,rads;Upitch 为纵摇周期,s;φ 为纵摇角,rads;av 为垂向加速度,m/s2。
3)推进器所受的水动力由设备厂商提供,由于其未考虑波浪与船体运动的影响,本计算对其取安全系数 1.5(见表 3 和图 3)。
载荷以集中力的方式施加到模型上,并通过 MPC 传递到单元网格上,如图 4 所示。
参照ABS《Rules for building and classing steel vessels 2012》中有关吊舱推进设备支承结构主要构件许用应力的相关规定,船体结构强度直接计算的衡准如下:
许用正应力:[σ] = 0.59σF N/mm2;
许用剪应力:[τ] = 0.44σF N/mm2;
许用相当应力:[σe] = 0.85σF N/mm2;
应力集中处许用相当应力:[σepeak] = σF N/mm2
材质为普通强度钢,σF 取 235 N/mm2,许用应力如表 4 所示。
各计算工况下船体结构中主要结构的单元平均应力最大值如表 5 所示。
表中:σx 和 σy 为板单元在 X,Y 方向上正应力,“+”为拉应力,“-”为压应力;τxy 为板单元剪应力;σe 为板单元 Von Mises 应力,σe = (σx2 + σy2-σxσy + 3τxy2)1/2。
工况 3 条件下船体结构变形如图 5 所示。本节所示的应力分布图表示的是模型在计算工况中的相当应力分布,图中所示应力的单位为 N/mm2。
各计算工况下船体结构应力如图 5 ~ 图 10 所示。本节所示的应力分布图表示的是模型在计算工况中的相当应力分布,图中所示应力的单位为 N/mm2。
通过对 3 万方 LNG 运输船推进其区域进行有限元分析,可以得到主要构件的应力分布图,并得到以下结论:
1)主要支撑结构构件的应力值均不超过许用应力范围,满足强度要求。
2)高应力集中位于 10 号肋位横舱壁处,设计应根据计算结果对该区域进行加强。
3)本文利用有限元软件进行推进器区域强度分析,提出一种对船体局部结构强度计算的有效方法。
[1] | 陆国强, 贺迎宾, 曲道龙. 双桨双舵船舶建造技术研究[J]. 中国机械 , 2011 (22) :65–66. |
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