倒T式坞门结构有限元分析*

刘会议,黄 府

(南通中远重工有限公司江苏南通 226001)

倒T式坞门结构有限元分析*

刘会议,黄 府

(南通中远重工有限公司江苏南通 226001)

分析了坞门的设计现状及特点,介绍了倒T型船坞坞门的设计参数,根据相关设计规范,计算分析了坞门板厚选择、结构型式和受力特点,对坞门的刚度和强度进行有限元计算分析校核,并计算校核了坞门的稳性。倒T型船坞坞门结构重量轻,具有很大的经济价值与实用价值。

坞门;有限元分析;刚度;稳性;结构强度

0 引 言

坞门是现代船厂船坞的重要组成部分,坞门关闭后可以阻断船坞内外的水域,利用船坞配套的排水系统,将坞室内的水排尽,营造出修造船作业所需的环境;坞门开启后坞室内的水与坞外的水域连成一片,船舶可以方便地进出。对于沿江堤、海堤布置的坞门,还要求具有防洪、挡潮功能。

坞门的结构形式有浮门式、横拉门式、人字门式、卧倒门式等,其中浮门式坞门又分为方箱式、比重计式、桶形式。方箱式浮门的外形全部是直线形,制作简便,环境适应性强,坞门厚度不占用船坞的有效长度,是目前大型船坞采用最为广泛的结构形式[1-2]。

浮箱式坞门的工作过程是这样的:开门时,利用坞门内的排水系统将压载水舱内的水排除,坞门便逐渐浮起,像船舶一样漂浮在水面上,用拖船拖移停靠在码头等泊位处;关门时,先把坞门拖移至所需位置,然后向坞门压载舱内注水,使得门体垂直下沉直到水底。浮箱式坞门关门时一般依靠压载水的重力下潜,开门时依靠坞门的浮力上浮。

目前国内船厂的坞门一般采用方箱形设计,该结构设计计算简单,制作方便[3-4];但缺点是:结构设计时没有充分考虑坞门的受力特性,坞门的受力随着水深度的增加呈线型增加,坞门局部结构强度富余量很大;导致坞门整体结构重量较大,制造成本很高。研究的倒T型坞门,在方箱型结构的基础上,从结构型式到结构优化计算,都充分考虑坞门的受力特性。文章研究的船坞所使用箱型坞门与倒T型坞门相比较:箱型坞门结构重量约3 000 t左右,固定压载约2 000 t,总重量达5 000 t;倒T型坞门结构重量仅约1 300 t,压载均采用水来调节,结构总重量仅为方箱型的26%左右。倒T型坞门设计在制造成本控制、缩短制造周期、安装、运输方面均具有着明显优势。

1 坞门结构设计

1.1 坞门主要结构参数

坞门长度L=86.20 m;坞门宽度B=12.00 m;坞门高度H=13.10 m,正常吃水深度8.20 m,极限高水位11.4 m,极限低水位8 m,波浪高度+3.20 m。

1.2 坞门厚度选择

坞门板材厚度的取值既要使坞门结构满足承受水压强度,又不宜过于保守,板厚取值过于保守不仅引起门体钢结构材料的增加,还会引起固定压载和坞门管路的增加,对整个坞门造价影响很大,大型坞门尤其如此。根据坞门设计规范《干船坞设计规范》(下称《规范》)第三篇《坞门及灌水排水系统》(JTJ253-87)第1.3.2条规定[5]:浮箱式坞门的厚度可取(1/4-1/7)L(L为浮箱门长度),小型坞门取大值,大型坞门取小值。由此可初定坞门厚度为12 m。由于坞门在工作状态下的载荷随着水深度的减小而逐渐减小,因此坞门上部分的板厚可适当减小。

1.3 坞门结构确定

根据坞门工作时承受的水压载荷随水深变化特点,坞门中段采用倒“T”形结构,两端为方箱型结构,坞门两端各有两个压载舱,中段分为四个压载舱,如图1。两端各分为三个水密舱,中间舱用于安装电气系统,两侧为压载舱。在主体高度上被上、中、下甲板和底板分为三层,由上至下分别为第一层、第二层、第三层。第一层布置通道、控制台及其他设备,第二层布置压载水舱,第三层布置泵阀设备及管路,如图2。

坞门结构采用纵骨架式,纵骨间距615 mm,强肋骨间距2 460 mm。纵骨采用焊接角钢,强肋骨采用钢板焊接T形梁。坞门承受水压后,传力方式如下:大部分水压力作用在外板上,少部分直接由纵梁和强肋骨承受;外板承受的水压力传递给纵骨和强肋骨,再由纵骨、强肋骨传递给纵梁和门槛,纵梁的受力最终传递给坞首边墩。

2 坞门有限元分析

2.1 载荷计算

式中:h为静水水深,极限高水位时h=11.40 m。

(2)波浪载荷:波浪对坞门靠海一侧的压力如图3所示,高于上甲板的挡浪板上作用的波浪力转化为集中力和集中力矩作用在对应的骨架节点[6]。两端节点处的集中力与集中力矩分别为:

图2 坞门内部空间布置

图3 波浪载荷

2.2 有限元计算与分析

建立高效、合理的有限元模型是有限元分析的关键,它不但影响计算的精度和速度,还会影响计算结果的准确性。因此,在有限元分析过程中合理简化结构模型,正确表达主要结构显得十分重要。采用ANSYS WORKBENCH 15.0有限元软件进行分析,在不影响分析结果的前提下,对坞门结构采取一定的简化措施:根据坞门的受力特点,坞门结构中部分斜撑、缀板及肋骨的翼缘等均忽略不计,坞门上、中、下甲板、底板、各立面板和加强板腹板均为中厚板,采用ANSYS软件中的SHELL181单元模拟,该单元能较好地反映中厚板的力学特性;主要剖面处的纵横骨架不仅要参与拉、压作用,部分构件还参与弯曲变形作用,因此采用ANSYS中的BEAM 188单元模拟[6];相对于坞门尺寸,坞体上部分尺寸较小的孔洞,对结构力学行为的影响也可忽略,因而在模型中均未予考虑,但冲水孔的孔洞和进入梯道孔按删去相应面、线的单元来实现,相应的载荷以Node集中力的形式来考虑。

由于本坞门为浮箱式坞门,且是以重力自灌水方式下沉,因此坞门底部约束取竖直(Y向)位移约束为刚性约束;坞门整体结构在实际操作过程中不能发生沿船坞纵向(Z向)位移,因此,可以在坞门两侧及坞门陆板与坞槛接触部分取“U”形支撑面,支撑面均取水平(Z向)位移约束为刚性约束。

以最大水压载荷计算,坞门变形情况、应力分布计算结果分别如图4、5所示。

图4 坞门门体变形情况

图5 坞门门体应力分布

由图4可知,坞门门体中部挠度最大,两端逐渐减小,最大挠度值75 mm(建模时由于省略了加强小扁铁,图中部分板面的局部变形忽略),根据设计规范规定:不考虑门槛的支承作用,坞门门体横梁的最大挠度与计算跨度之比一般不超过1/1 000 L,因此坞门结构强度是满足设计要求的。

由图5可知,坞门门体最大应力为275 MPa,位于坞门底部斜面上,该处材质为Q345B,坞门结构能够满足强度设计要求,但考虑实际使用的安全性(加放一定的安全系数),坞门底部局部应力较大区域需要作结构加强。

2.3 坞门稳性分析

经估算,坞门自身钢板质量:1 276 t,固定压载质量:1 315 t,在最高水位时坞门注入水量2 430 m3,由此可得:

根据《规范》规定,浮箱式坞门在使用期必须保证最高水位时的总重量大于总浮力,其差值一般控制在(4%～8%)W为宜(W为浮箱式坞门轻载吃水时的总重量)[5]。因此,该坞门的稳性符合规范要求。

3 结 论

(1)倒T式坞门结构结构型式可行,重量比方箱型结构节省材料,制作运输简单方便,具有巨大的经济价值和使用价值。

(2)通过计算分析,坞门刚度的刚度、稳性满足规范要求,坞门底部局部应力较大,从使用安全性考虑,需要对该处结构作局部加强。

(3)坞门尺寸大、结构复杂,整体建模分析时,有限元模型的优劣直接影响计算速度和计算结果的准确性,因此需要根据结构的具体情况进行适当简化。

[1] 黄 履.船坞闸门设计[M].北京:人民交通出版社,1981.

[2] 南 毅.万吨级注水式船坞浮箱式坞门设计浅析[J].造船技术,1994(7):8-11.

[3] 顾建新.关于大型造船坞设计的初探[J].造船工业建设,2005 (3):23-26.

[4] 荒谷俊司.大型船坞的结构设计和施工[M].北京:科学出版社, 1978.

[5] 中国船级社.干船坞设计规范[M].北京:人民交通出版社, 1987.

[6] 杨永祥,李永正,王庆丰.干船坞浮箱式坞门结构强度的有限元分析[J].舰船科学技术,2010(1):38-41.

Finite Element Analysis for Inverted T Type Dock Gate Structure

LIU Hui-yi,HUANG Fu
(Nantong COSCO Heavy Industry Co.,Ltd,Nantong Jiangsu 226001,China)

In this paper,the present situation and design characteristics of the dock gate are analyzed,and design parameters of the T type dock gate are introduced.The thickness selection,the structure type and the mechanical characteristics of the dock gate are calculated and analyzed according to the relevant design specifications;the stiffness and strength of the dock gate are checked based on the finite element analysis,as well as the stability.The inverted T type dock gate has lighter weight and will bring great economic and practical value.

dock gate;finite element analysis;rigidity;stability;structural strength

U673.331

A

1007-4414(2015)05-0059-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.019

2015-07-11

刘会议(1973-),男,湖北阳新人,工程师,研究方向:船用龙门吊、船体、机构学、有限元分析。