350 t拼装式浮箱工程船结构强度分析研究

殷晓剑，程国祥，陆新林

（泰州市开发区祥峰船舶技术咨询有限公司，江苏泰州 225350）

350 t拼装式浮箱工程船结构强度分析研究

殷晓剑，程国祥，陆新林

（泰州市开发区祥峰船舶技术咨询有限公司，江苏泰州 225350）

利用大型商用有限元软件MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN对350 t拼装式浮箱工程船主船体总纵强度进行有限元分析，通过有限元建模、边界条件处理、载荷施加等过程，分析该船的总纵强度。通过总纵强度计算得到螺栓连接处的力来计算螺栓连接处的结构强度。在不满足规范要求的前提下提出加强措施，使结构应力的计算值小于许用值，提高整船的结构强度，并满足规范要求。

浮箱工程船；组合式；总纵强度；螺栓

0 引言

350 t拼装式浮箱工程船为非自航拼装式浮箱工程船，设计额定起吊能力为350 t。作业航区为内河 A级，在调遣避风时应将扒杆及变幅杆倒置在甲板上。350 t拼装式浮箱工程船在作业时首尾均拼装有浮箱，其中首部4只，尾部2只。350 t拼装式浮箱工程船起重形式采用纵向扒杆形式，扒杆设于船体首部，主扒杆长度为40 m，甲板处扒杆支点间距5.60 m；扒杆后设有变幅杆，长度24 m，甲板处变幅杆支点间距3.00 m。扒杆为固定式，船中后甲板室前设置 2只千斤柱。主浮箱之间纵向采用螺栓连接，并在连接端设有分体连接工作舱，分体连接工作舱端壁水密；主浮箱之间以及主浮箱与边浮箱横向连接采用销轴连接，连接位置均处于空载水线以上，连接完成后安装密封罩壳确保水密[1]（见图1）。

1 总纵强度校核

1.1 有限元模型

由于350 t拼装式浮箱工程船采取浮箱组合而成，计算船体强度的时候不能像普通船舶一样采取舱段建模。为了能更好地反映整船结构强度，特别是连接部位的强度，本文有限元建模采用整船建模。而整船三维有限元模型应包括主船体范围内的所有纵向受力构件，如船底结构、舷侧结构、甲板结构中板材和纵桁。模型中应包括横向主要构件，如横舱壁、船底肋板、甲板强横梁、舷侧强肋骨以及舱壁竖桁等。局部支撑构件还应包括支柱或是斜撑等，同时也包括浮箱连接部位的螺栓，而肘板等不计入模型[2]（见图2和图3）。

1.2 边界条件

通常做线性静力分析需要保证结构没有刚体位移，否则求解器没有办法计算。但是船舶在码头或是航行（物体整体具有加速度）时，要想计算结构上的应力分布，需要采用惯性释放（inertia relief），在结构上施加一个虚假的约束反力来保证结构上合力的平衡[3]。具体见图4。

1.3 载荷施加

按照稳性计算书的要求，同时考虑波浪对船体的影响，全船主要工况分为4种。具体如下：

1）作业工况1：压载水舱满载，吊重350 t，扒杆与甲板夹角60°，全部燃料备品（波谷位于船中）；

2）作业工况2：压载水舱满载，吊重350 t，扒杆与甲板夹角60°，全部燃料备品（波峰位于船中）；

3）作业工况3：压载水舱满载，吊重350 t，扒杆与甲板夹角70°，全部燃料备品（波谷位于船中）；

4）作业工况4：压载水舱满载，吊重350 t，扒杆与甲板夹角70°，全部燃料备品（波峰位于船中）。

有限元模型的载荷应包括三个方面，如舷外水压力、货物重量，结构自重等。满载时根据计算工况船舶处于平衡状态时的设计波波面（包括中拱波面和中垂波面）确定计策点处的水压力。按压力分布施加到模型的湿表面各单元上。波浪取余弦波。波长等于船长，波高he按以下公式来计算：

式中，he为波高，m；L为船长，L=46 m；αw为系数，αw=1（A级航区）。

所以，

半波高为1.23 m。

以工况1为例，见图5和图6。

1.4 计算结果

本文以350 t拼装式浮箱工程船为研究对象，通过全船有限元直接计算，校核其强度，确定组合船舶是否满足要求。在全船有限元模型建立时对工程船扒杆和桅杆底部也建立有限元模型。不同工况下的计算结果见表1。以工况1为例的计算云图见图7～图18。

表1 各构件应力计算汇总表

通过全船有限元计算分析，甲板、船底板、舷侧外板和内部各构件的计算值均小于许用值。强度满足规范要求。通过图7～图18云图可知，整船结构的应力比较集中，主要出现在扒杆的底部区域。从表1中可知，波峰状态下的工况要比波谷状态要大，说明总纵强度分析的时候船舶载荷比较集中，在舱中部的载荷比较小，主要出现在首部区域，极容易发生中拱弯曲，因此在实际装载过程中适当在中间施加一定载荷。

2 螺栓连接强度校核

主浮箱之间纵向采用螺栓连接，并在连接端设有分体连接工作舱，分体连接工作舱端壁水密；主浮箱之间以及主浮箱与边浮箱间的横向连接采用销轴连接，连接位置均处于空载水线以上，连接完成后安装密封罩壳确保水密。

2.1 螺栓受力计算

计算出各种工况下螺栓的连接力，汇总见表2。

表2 螺栓的最大连接汇总

有限元建模的分析主要参考《船舶与海上设施起重规范》（2007）中的表述来进行。由于主浮箱与首后浮箱螺栓连接位置出现较大应力，所以选取该部位为计算的局部模型。建模过程中选取沿主浮箱船长方向#66～#92，首前浮箱船长方向#72～#92，沿宽度方向为该船浮箱型宽，沿高度方向为浮箱型深（见图19）。

针对局部模型设置边界条件的时候主要针对模型的前后舱壁、模型两侧以及模型下端等部位进行施加。施加主要考虑3个线位移和3个角位移。前后舱壁主要考虑x方向线位移和y、z方向角位移；模型左右两侧主要考虑x、y、z方向线位移；模型下方主要考虑y方向线位移和x方向角位移。详细的边界条件见表 3[4]，施加内容见图20。

表3 边界条件

2.2 载荷加载

加载位置考虑为螺栓连接处。结合前面计算结果可得连接部位上下螺栓 3个方向上的连接力，见表4和图21。

表4 主浮箱螺栓连接处受力

2.3 计算结果

本节以350 t拼装式浮箱工程船的螺栓连接为研究对象，通过局部有限元直接计算，校核其强度，确定螺栓连接强度是否满足要求。通过计算，各构件的应力结果见表5。

通过有限元计算分析，甲板相当应力大于许用值，可见螺栓连接处的局部强度不满足规范要求。在分析局部强度时，载荷施加的力主要通过前面总纵强度的计算得到螺栓的三个方向的力进行施加，比较准确地得出螺栓上真实的力的大小。由于浮箱之间的螺栓连接结构比较复杂，可以采取适当的方式进行结构加强，进而使得局部强度能够满足规范要求。

表5 各构件应力计算汇总表

3 结构加强后的螺栓连接强度分析

3.1 加强措施

350 t拼装式浮箱工程船螺栓是该浮箱之间连接最主要的直接受载区，其结构强度直接关系到船舶的安全性。同时前节计算分析时得出该处局部强度不满足规范要求。因此，必须对螺栓连接结构强度进行必要的加强，现提出如下加强方案来改善该处的结构强度，并修改原有的建模，进而评估局部强度。改善措施：对连接部位舷侧外板和甲板的螺栓加厚2 mm；螺栓直径由原来的φ150 mm变为φ200 mm。具体施加措施见图22。

3.2 计算结果

本节以350 t拼装式浮箱工程船的螺栓连接为研究对象，通过改进后的局部结构有限元直接计算，校核其强度，确定螺栓连接强度是否满足要求。通过计算，各构件的应力结果见表6。

4 结论

本文利用大型商用有限元软件MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN对350 t拼装式浮箱工程船主船体总纵强度进行有限元分析，通过总纵强度计算得到螺栓连接处的力来计算螺栓连接处的结构强度。在不满足规范要求的前提下提出加强措施。

主要结论如下：

1）通过对350 t拼装式浮箱工程船进行全船有限元计算分析，甲板、船底板、舷侧外板和内部各构件的计算值均小于许用值。总纵强度满足规范要求。整船结构的应力比较集中，主要出现在扒杆的底部区域。

2）由表 1可见，波峰状态下的工况要比波谷状态要大，说明总纵强度分析的时候船舶载荷比较集中，在舱中部的载荷比较小，主要出现在首部区域，极容易发生中拱弯曲，因此在实际装载过程中适当在中间施加一定载荷。

3）在分析螺栓连接强度时，采用MPC对主浮箱与主浮箱进行连接。比较真实地反映浮箱之间的连接形式。

4）在分析螺栓连接强度时，最初甲板的相当应力计算值要大于许用值，螺栓局部强度不满足规范要求。通过对连接部位舷侧外板和甲板的螺栓加厚2 mm和螺栓直径由原来的φ150 mm变为φ200 mm后，甲板的相当应力计算值有所减小，计算值均小于许用应力。可见螺栓连接处的局部强度满足规范要求。由于浮箱之间的螺栓连接结构比较复杂，可以进一步采取加强措施进行结构加强，进而提高整船的结构强度。

表6 改进后的各构件应力计算汇总表

[1]吴仁元.船体结构[M].北京: 国防工业出版社, 1986.

[2]张少雄, 张延辉.8 000 t级海推船体结构强度计算[J].中国水运, 2006(2): 46-47.

[3]张少雄, 杨永谦.惯性释放油船结构强度直接计算中的应用[J].船海工程, 2004(3): 4-6.

[4]张永昌.MSCNASTRAN有限元分析理论基础与应用[M].北京: 科学出版社, 2004.

Study on Structural Strength of 350 t Combined Pontoon Engineering Ship

Yin Xiaojian, Cheng Guoxiang, Lu Xinlin
(Taizhou Xiang-Feng Shipping Technology Consulting Co., Ltd., Jiangsu Taizhou 225350, China)

Using the large commercial finite element software MSC/PATRAN and MSC/NASTRAN, the finite element analysis is carried out on the ship hull longitudinal strength of 350 t combined pontoon engineering ship.The total longitudinal strength is analyzed through the process of FE modeling, dealing with boundary condition and bearing load.The structural strength of the bolt joint is calculated by gaining the force of the bolt joint through the calculation of the total longitudinal strength.Under the premise of not meeting the requirements of the standard, the paper puts forward the strengthening measures to make sure that the final structure stress is less than the allowable value, which can improve the overall longitudinal strength of the ship as well as meet the standard requirements.

pontoon engineering ship; combined; total longitudinal strength; bolt

U661.43

A

10.14141/j.31-1981.2017.01.005

殷晓剑（1983—），男，本科，研究方向：船舶设计。