桁架式桅杆结构强度及稳定性有限元分析

陈南华++王领++庞程燕

摘要：桁架式桅杆是船舶上的重要结构，其结构强度及稳定性直接关系着船舶的安全问题。基于中国船级社相关规范，利用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran对某钢质综合试验船的桁架式桅杆进行了不同载荷工况下的强度及稳定性分析和评估，结果表明该桁架式桅杆结构安全可靠。文中采用的校核方法可为其它类似桅杆结构强度及稳定性有限元分析提供一定的参考。

关键词：桁架式桅杆；有限元分析；结构强度；局部稳定性；整体稳定性

中图分类号：U667.1 文献标识码：A

Finite Element Analysis of Structure Strength and Stability of Truss Type Mast

CHEN Nanhua， WANG Ling， PANG Chengyan

（Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250）

Abstract： Truss type mast is the main structure of a ship， the structure strength and stability of it is related to the security of a ship. The analysis and assessment of structural strength and stability under different loads of truss type mast in a steel sea-going test ship is carried out by the finite element analysis software MSC.Patran/Nastran based on the CCS rules. The results indicate that the structure of the truss type mast is safe and reliable.

Key words： Truss type mast； Finite element analysis； Structure strength； Local stability； Overall stability

1 引言

桅杆是现代船舶的一个重要组成部分，桅杆的功能主要是搭载船用雷达、船舶气象仪、通信天线、信号灯等电子、电气设备。按照其结构形式一般可分为桁架桅和筒形桅两种：筒形桅因为其良好的强度和隐身性能，受到广泛应用，对筒形桅杆的研究也较多；桁架式桅杆由于其结构型式简单、经济、受风面积小等优点也得到一定的应用。

桁架式桅杆杆身较高，横截面面积相对较小，安全可靠度较差，任何一根弦杆失稳都容易引起整个结构的破坏。此外，其空间受力复杂，在结构和设备自重、惯性载荷以及风载荷的影响下，强度及稳定性都可能导致桅杆结构破坏。

近几年中国船级社相继颁布的《水面舰艇入级规范（2011）》（以下简称《舰艇规范》）、《中国海警舰艇入级规范（2011）》、《海关缉私舰艇检验指南（2013）》等对桅杆的强度及稳定性提出了采用有限元法校核的要求。目前对桁架式桅杆强度及稳定性研究的文章较少，尤其是对整体稳定性的研究更少。本文利用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran对某钢质海洋综合试验船的桁架式桅杆结构强度、局部稳定性及整体稳定性进行了分析和评估，其中强度及局部稳定性评估主要依据《舰艇规范》，整体稳定性评估则参考中国船级社《船舶与海上设施起重设备规范（2007）》（以下简称《起重规范》）的有关要求进行。

2 桅杆结构概况

本桅杆结构为三角形桁架式，安装于罗经甲板顶部，其布置及主要构件尺寸如下：前主弦管φ180×8.0 mm，位于船体中心处；后两根主弦管φ114×6.5 mm，对称布置于距中1 200 mm处；横撑及斜撑φ60×4.0 mm；桅杆平台前斜撑φ114×6.5 mm、φ80×4.5 mm，后斜撑及导航雷达平台φ80×4.5 mm；信号灯等小桅φ60×4.0 mm。详见图1。

3 有限元模型

3.1 模型的建立

对于整个船体结构而言，桅杆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，模型范围取整个桅杆结构及第四层甲板室结构，有限元模型见图2。总体坐标系取右手直角坐标系，x轴沿船长方向首为正方向，y轴沿船宽方向左舷为正方向，z轴沿型深方向上为正方向。

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用板单元模拟；桅杆结构、扶强材、甲板室横梁、支柱等用梁单元模拟，并考虑各构件的实际截面和偏心；主要支撑构件的面板用杆单元模拟；桅杆上的雷达等设备用质量单元模拟。

网格尺寸以200×200 mm为基准进行划分。模型中共有13 514个节点、12 485个板单元、4 133个梁单元、742个杆单元、2个质量单元。

3.3 材料参数

本桅杆及甲板室结构为普通船用钢结构，其弹性模量为2.06×105 N/mm2，泊松比为0.3，质量密度为7.85×10-9 t/mm3，屈服强度为235 N/mm2。在有限元模型中，考虑到模型与实际结构的误差，如建模时未予考虑的焊料、灯座、信号灯、踏步及其他小的舾装件等，因此模型中所采用的质量密度增加10%，即8.635 ×10-9 t/mm3。

7 结论

（1）通过对桅杆结构强度进行有限元分析，得到了桅杆结构的应力分布情况。设计时对于高应力区域应予以重点关注，必要时可采取精细网格进行详细的应力分析。

（2）本桅杆结构强度、局部稳定性及整体稳定性均满足相关规范的要求，但安全裕度较大，这是因为本桅杆对结构固有频率有额外的要求，需适当加大桅杆结构的刚度导致的。

（3）桁架式桅杆的整体稳定性校核方法及衡准在相关船舶规范中没有提及，由于结构的相似性，本文参考了《起重规范》的相关要求对其进行评估，在以后的桅杆整体性稳定性评估中，建议可采用该规范进行校核。

参考文献

[1] 杨振财，赵德有. 船舶筒形桅杆振动分析中边界条件的研究[J]. 中国海

洋平台，2006，21（2）.

[2] 李文华. 筒状桅杆结构强度的有限元分析及探讨[J]. 船舶，2012，23（2）.

[3] 中国船级社. 水面舰艇入级规范[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[4] 中国船级社. 中国海警舰艇入级规范[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[5] 中国船级社. 海关缉私舰艇检验指南[S]. 北京：人民交通出版社， 2013.

[6] 中国船级社. 船舶与海上设施起重设备规范[S]. 北京：人民交通出版社，

2007.endprint