基于有限元直接计算的某型船甲板设备加装改造设计

崔宏林，王金鑫，全春典

（1.中国人民解放军92941部队，辽宁葫芦岛125000；2.渤海船舶职业学院,辽宁兴城125105；3.中船黄埔文冲船舶有限公司，广东广州510715）

在船舶改装施工时，常常会有在甲板上加装设备的需求，为保证设备正常工作并确保加装船及甲板操作人员的安全，需要对加装后的甲板强度及总纵强度做精确的计算并校核。

有限元法是一种基于变分原理的把连续体离散化的数值解法，具有适应性强、效能高等优点。有限元法的实质是把求解区域分为有限个单元，通过每个单元承载模式和变形情况精确模拟求出某个关心构件或区域的实际变形与应力。随着CAD/CAM/CAE的推广，以有限元法为核心的通用结构分析软件得到广泛应用。

通过对需要在甲板上临时增加两型设备的某型船强度计算总结，介绍应用有限元法进行船甲板局部结构强度校核计算方法，为在甲板上有加装设备需求的船舶改装工作提供参考。

1 某型加装船及设备概况

该船要求在主甲板上增加A、B两型设备，A型设备在首部及尾部左右舷对称布置，基座中心位于船首、尾主甲板距中约3 000 mm处；B型设备在中部左右舷对称布置，基座中心位于中部主甲板距中约3 500 mm。

原船主甲板材料为B级钢，屈服极限σS＝235 MPa，此处构件规格如表1所示；设备A基座及其加强结构和设备B基座安装板均采用Q235 钢，屈服极限σS＝235 MPa。

表1 主甲板构件规格

2 强度校核计算

2.1 计算依据

2.1.1 参考图纸

某型船基本结构图；两型设备（设备A、设备B） 加装基座图。

2.1.2 两型设备布置的位置

由于不同位置的甲板结构其承力能力不同，建议两型设备按表2位置布置，作为有限元建模的位置依据。

表2 两型设备的位置建议

2.1.3 材料许用应力

根据中国船级社《船体结构强度直接计算指南》 （2001） 规定，船体结构强度直接计算中采用相当应力（或称Von Mises应力，以σe表示）来衡量应力的许用程度。该指南中规定，船体甲板板材料的许用应力为σe=175 MPa（甲板材料屈服极限为235 MPa）。

2.2 有限元模型

本文采用由点到线、由线到面的自上向下的建模方法，分别建立船体结构有限元模型和基座有限元模型，并分别赋材料属性（图1分别为首部A型设备有限元模型、中部B型设备有限元模型和尾部A型设备有限元模型），然后通过装配功能对船体结构模型和基座模型进行组装，建立装配结构模型，通过设置tie接触使得船体结构模型和基座模型连成一体，最后设置边界条件，边界条件为四周刚固，支柱处施加垂向约束。

图1 设备有限元模型

2.3 载荷计算

设备A载荷为设备重量和后坐力；设备B载荷为设备重量。设备A质量为固定值；后坐力为动载荷，随时间变化而变化，本船在计算时取动载荷中的最大值，这样使得计算结果偏于安全，如图2所示。

图2 设备A工作时的后坐力载荷

2.4 应力计算结果

2.4.1 艏部加装的A型设备应力计算

图3分别为艏部甲板基座、艏部甲板板和艏部甲板加强筋的应力云图，根据应力云图，艏部甲板基座结构的最大正应力σmax＝117.7 MPa，艏部甲板板的最大正应力σmax＝94.10 MPa，艏部甲板加强筋的最大正应力σmax＝111.3 MPa，以上三个最大正应力值均不大于材料许用应力[σe]=175 MPa，满足要求。

图3 艏部甲板构件应力云图

2.4.2 中部加装的B型设备应力计算

图4分别为中部甲板基座、中部甲板板和中部甲板加强筋的应力云图，根据应力云图，中部甲板基座结构的最大正应力σmax＝76.89 MPa，中部甲板板的最大正应力σmax＝51.10 MPa，中部甲板加强筋的最大正应力σmax＝50.72 MPa，以上三个最大正应力值均不大于材料许用应力[σe]=175 MPa，满足要求。

图4 中部甲板构件应力云图

2.4.3 尾部加装的A型设备应力计算

图5分别为艉部甲板基座、艉部甲板板和艉部甲板加强筋的应力云图，根据应力云图，艉部甲板基座结构的最大正应力σmax＝117.7 MPa，艉部甲板板的最大正应力σmax＝36.10 MPa，艉部甲板加强筋的最大正应力σmax＝81.66 MPa，以上三个最大正应力值均不大于材料许用应力[σe]=175 MPa，满足要求。

图5 艉部甲板构件应力云图

2.5 计算结果汇总

两型设备各项目最大正应力计算结果汇总如表3所示。结果表明，设备A和B基座及其加强结构的强度满足规范要求。

表3 计算结果汇总

3 结论

本文按GJB 4000-2000《舰船通用规范》要求，建立主甲板板架三维有限元模型，依据设备加装情况进行结构建模，采用有限元软件对甲板局部结构强度进行校核计算，结果表明，设备A和B基座及其加强结构的强度满足规范要求。

本设计方法已在某型船改装工作中实际应用，施工后设备运行正常而稳定，证明了本计算方法的合理性及计算结果的正确性。在供同类改装设计参考时，特提出如下建议：考虑A型设备的动载荷对基座及其加强结构的疲劳强度有可能带来影响，因此应采取适当增加基座下加强材厚度、沿使用时后坐力的方向增加肘板、在基座下安装面积略大于基座的垫板等安全措施。

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