铝质焊接拖桩结构强度有限元分析及加强

陈南华

摘 要：利用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran对某铝质穿浪双体船首部焊接拖桩结构强度进行了分析和评估，得到了拖桩及其连接结构的详细应力分布情况，并根据分析结果提出了结构加强方案。本文可为其它类似拖桩结构强度有限元分析及结构优化设计提供一定的参考。

关键词：铝质焊接拖桩；有限元分析；应力分布；结构加强

中图分类号：U663.7 文献标识码：A

Abstract： The analysis and assessment of structural strength of fore welding towing post in an aluminum wave-piercing catamaran is carried out by the finite element analysis software MSC.Patran/Nastran， the detailed stress distribution of the towing post and its attached structure is given and the structure strengthening scheme is provided based on the analysis results. This paper can provide some references for finite element analysis and structure optimized design for the other similar towing posts.

Key words： Aluminum welding towing post； Finite element analysis； Stress distribution； Structure strengthening

1 引言

限于铝质穿浪双体船中央船首空间布置问题，位于首部的拖桩结构形式通常为焊接铝合金管，通过肘板与舷墙及主船体连接。拖桩在系泊防台或拖带工况下容易在拖桩桩柱与船体相交处产生较大的局部应力，甚至有可能引起船体结构的破坏。为此，有必要对拖桩及其附近的船体结构进行较为详细的有限元分析，以获得详细的应力分布情况，进而对其进行针对性的结构优化及加强。

本文利用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran对某铝质穿浪双体船首部焊接拖桩在系泊防台工况下的结构强度进行了分析和评估，并根据分析结果提出了简单有效的加强方案，以满足该船系泊防台的要求。有限元分析及结构强度评估主要依据中国船级社《海上高速船入级与建造规范（2012）》（以下简称《海高规》）中高速船船体结构直接计算指南的相关要求进行。

2 拖桩结构概况

本船拖桩为铝合金焊接管，桩柱为 160x10 mm，桩柱封板为 180X12 mm，桩柱中心距为660 mm；横档为

95X7.5 mm，横档封板为 110X8 mm，横档中心距舷墙顶板高度为300 mm（见图1）。

3 有限元模型

3.1 模型的建立

对于整个船体结构而言，拖桩及其附近结构受力属于局部强度问题。根据圣维南原理，为了尽量减少边界条件对计算结果的影响，对模型范围进行适当扩充，模型范围取#20至船首的中央船首、舷墙和拖桩结构，有限元模型见图2。总体坐标系取右手直角坐标系，原点取在船纵中剖面内尾垂线（#0）和基线相交处，x轴沿船长向首为正方向，y轴沿船宽向左舷为正方向，z轴沿型深向上为正方向。

3.2 单元类型及网格尺寸

结构中的板材和主要支撑构件的腹板、拖桩结构等用板单元模拟；纵骨、主要支撑构件的面板、支柱等用梁单元模拟，并考虑各构件的实际截面和偏心。

模型网格尺寸：纵向以1/2肋距、横向、垂向以纵骨间距为基准进行划分；带缆桩及其连接区域的结构采用细化网格，其尺寸约为30 mm × 30 mm，并逐渐过渡到周边的粗网格（见图3）。模型中共有4 883个节点、5 135个板单元、787个梁单元。

3.3 材料参数

船体结构及拖桩材料为铝合金，其中板材为5083-H321/H116，型材为6082-T6。铝合金弹性模量为0.69x105 MPa，泊松比为0.33，焊接后的屈服强度为125 MPa。

3.4 载荷及加载

在系泊防台时，缆索系在拖桩上，经过首部导缆孔与防台设施系固。考虑最危险的工况，即缆索出索方向为双十字拖桩左侧拖桩顶端往下约30 mm处的圆心与首部导览孔左端点的连线。系泊力大小根据水动力计算结果为96 kN，以集中力的形式通过MPC（多点约束）加载于左侧拖桩顶端往下约30 mm处的圆心处。

3.5 边界条件

模型端部采用固支边界条件，即δx=δy=δz=0、θx=θy=θz=0。

4 计算结果及分析

4.1 许用应力

本计算主要针对中央船首及拖桩局部结构强度的分析，因此许用应力可参照《海高规》附录2中局部强度衡准的规定：对于铝合金结构其局部强度计算的板单元，许用等效应力为0.80σ0.2=0.80*125=100 MPa。

但由于拖桩及其连接结构附近采取了细化模型网格，网格尺寸不大于50 mm*50 mm，因此许用应力可参照《海高规》附录2中细化网格应力衡准的规定，即：对于铝合金结构其细化网格模型计算的板单元，许用等效应力为1.30σ0.2=1.30*125=162.5 MPa。

4.2 应力计算结果

从图4中可以看出，中央船首及拖桩结构最大应力出现在拖桩桩柱与舷墙顶板相交处，其值为184 MPa，大于细化网格模型对应的许用等效应力162.5 MPa。endprint

从图5中可以看出等效应力超过局部强度计算衡准许用等效应力100 MPa的单元，主要集中在细化网格区域。

4.3 强度评估

从计算结果可以得出结论：在96kN系泊力作用下，中央船首结构局部强度基本上可满足《海高规》的要求，但在拖桩及其连接结构细化区域存在应力超限的情况，因此需对原有结构进行加强，以使得拖桩及其连接结构的应力能满足要求。

5 结构加强方案

参考中华人民共和国船舶行业标准CB∕T 3845-2000《船用十字形缆桩》中的桩柱强度校核方法，拖桩结构可近似简化为一端刚性固定的悬臂梁，最大弯矩出现在桩柱约束端，即最大弯曲应力出现在桩柱约束端，这与本文第4节中的分析结果相符。

因此，结构加强方案可从增加桩柱端部的剖面模数进行考虑，结合本船的实际情况，在不破坏原船结构的前提下，制定了加强方案：在拖桩桩柱与舷墙顶板相交处增加一块5 mm的圆台板，圆台上圆直径为拖桩桩柱外径160 mm，下圆直径为260 mm，高度为50 mm（见图6）。

经过计算，结构加强后拖桩及其连接结构的最大等效应力为149 MPa，小于细化网格模型对应的许用等效应力162.5 MPa，最大应力出现在拖桩桩柱与加强圆台板相交处，拖桩桩柱与舷墙顶端相交处的应力明显降低，见图7。

6 结论

通过对铝质焊接拖桩结构强度进行有限元分析，得到了拖桩及其连接结构的详细应力分布特点，对于新造船舶在设计之初可从桩柱本身及支撑结构构件尺寸优化的角度进行设计。对于改装船舶来说，本文提出的结构加强方案可有效地降低拖桩及其连接结构的应力水平，有利于提升拖桩的系泊能力，可为其它类似拖桩结构加强提供一定的参考。

参考文献

[1] 刘兵山，黄聪. Patran从入门到精通[M ]. 中国水利水电出版社， 2003.

[2] 中国船级社. 海上高速船入级与建造规范[S]. 人民交通出版社， 2012.

[3] 张少雄，李雪良，陈有芳. 船舶结构强度直接计算中板单元应力的取法[J].船舶工程，2004.

[4] 中华人民共和国船舶行业标准. CB∕T 3845-2000船用十字形缆桩[S]. 国防科学技术工业委员会， 2000.endprint