综合集成桅杆的简化研究

2014-06-27，

船海工程 2014年4期

，

(华中科技大学船舶与海洋工程学院武汉，430074)

实船桅杆结构前期的简化对桅杆性能研究起着至关重要的作用。一方面，简化后的模型需要与实船桅杆的振动、强度等结构性能基本保持一致；另一方面，简化后的模型影响着缩尺模型的制作，包括焊接工时、制作成本和施工工艺等因素。本文首先基于图纸建立完整的实船桅杆结构有限元模型，然后从振动和刚度两个方面对比简化结构的有限元模型与原型,分析简化的可行性，最后考虑缩尺模型焊接局限对分层甲板间的舱室隔板进行等效简化。

1 实船桅杆结构的仿真

1)桅杆结构包括大桅主体、小桅、橫桁以及围住大桅的01～05甲板。其中大桅为薄壁筒形结构，主体内部有分层甲板和舱室隔板；05甲板以上的分层甲板、小桅和橫桁有各种设备安装其上；01～05甲板之间布置有舱室隔板；大桅焊接在01甲板上。其中02甲板的范围为Fr101-Fr158,03甲板范围为Fr103-Fr158，04甲板范围为Fr104-Fr142，05甲板范围为Fr106-Fr141。桅杆结构在01甲板下Fr121和Fr143分别设有横舱壁。

2)基于Patran软件[1]建立实船桅杆有限元模型，坐标系采用右手坐标系的总体坐标系，其中x轴正方向指向船艉，y轴正方向指向右舷，z轴正方向垂直向上。单元类型中板单元模拟桅杆结构的甲板板、舷侧板、舱室隔板、桅杆围板、桅杆内部分层甲板、小桅板、横桁板，以及起加强作用的肘板等结构；梁单元模拟甲板纵骨、甲板纵桁、甲板横骨、甲板强横梁、舷侧肋骨、强肋骨、大桅围板和舱室隔板的加强筋等结构；质量单元用于模拟安装在小桅、横桁、大桅内部甲板以及桅杆围板上的设备。桅杆结构的边界条件[2]为01甲板边界以及在肋位Fr121和Fr143处取为简支。见图1。

图1 实船桅杆有限元模型

3)为了使简化后的模型有参照标准，振动[3-4]方面采用实船桅杆结构(桅杆原型)整体一阶横向振动、整体一阶纵向振动、整体一阶扭转振动以及平台振动的模态和振型，见图2，表1。

表1 桅杆原型的振动频率 Hz

图2 桅杆原型一阶横向振动f=12.616 Hz

通过在07甲板和桅杆顶板各节点处分别沿x方向和y方向施加10 kN的力，求得对应方向的整体位移进而可以求得模型分别在x方向和y方向的结构刚度[5-6](以下简化模型也采用相同的方法)。见图3、表2。

图3 桅杆原型在顶板处位移x=3.104 mm

位移/mmxy刚度/(N·mm-1)xy3.1043.8633 157.2162 536.888

2 桅杆结构的简化

2.1 艉段甲板

基于大桅一边界在01甲板底下即肋位Fr143设有一道横舱壁，理论上使得Fr143肋位后的甲板对桅杆结构影响甚小，因此简化肋位Fr143-Fr158艉段甲板结构，从振动和结构刚度两方面与桅杆原型对比,见图4、表3、4。

从表3、4分析，简化肋位Fr143-Fr158艉段甲板后其结构性能和桅杆原型相差极小，基本可以忽略不计，因此简化肋位Fr143～Fr158艉段甲板是可行的。

图4 简化艉段甲板后的有限元模型

表4 简化艉段甲板模型与桅杆原型结构刚度对比

2.2 分层甲板

简化后的模型有02～05共4层甲板。考虑以后缩尺模型的制作，在不影响桅杆整体结构性能的前提下尽量简化模型，因此讨论4层甲板简化的可行性。共建立4个模型即大桅主体(包括小桅和橫桁)+01甲板、大桅主体+01～02甲板、大桅主体+01～03甲板以及大桅主体+01～04甲板，同样从振动及结构刚度两方面与桅杆原型对比(鉴于图数量较多，只显示了各分层甲板的有限元模型图，而省略了其对应的振型图和位移图)。见图5～8及表5～12。

图5 模型1：大桅主体+01甲板

表6 模型1与桅杆原型结构刚度对比

图6 模型2：大桅主体+01～02甲板

表8 模型2与桅杆原型结构刚度对比

图7 模型3：大桅主体+01～03甲板

表10 模型3与桅杆原型结构刚度对比

图8 模型4：大桅主体+01～04甲板

表12 模型4与桅杆原型结构刚度对比

由表3～12可见，振动方面，对于整体振动，随着分层甲板的增多，振动频率在增大，而与桅杆原型比较的误差也在减小；对于局部平台振动，各模型相对原型误差都比较小；结构刚度方面，随着分层甲板的增多，桅杆结构x方向和y方向的结构刚度相比原型的误差在减小。以上两方面说明外围分层甲板对于桅杆结构性能至关重要，每层都需要予以保留。