船用锅炉下方船体加强结构强度评估

吴 迪

(金海智造股份有限公司，上海 200135)

0 引 言

船用锅炉主要用来加热货油和自用燃油等，也可用来加热生活用水。为充分利用机舱尾气的热量，通常将锅炉布置在机舱区域的甲板上。装满水的锅炉通常重几吨至几十吨，考虑到船舶运动时的动态效应，为确保锅炉能在复杂海况下安全使用，需对锅炉下方的船体支撑结构进行强度校核。

近年来，随着计算机辅助工程计算技术快速发展，出现很多梁系(也称杆系)计算软件,比较常用的有德国Dlubal公司开发的“RSTAB”商业软件、挪威船级社开发的“NAUTICS”3D 梁系计算软件和法国船级社开发的“STEEL”3D 梁系计算软件等。

梁系计算软件一般以位移法[1]为基本原理。相对于采用平面单元的有限元方法进行结构强度评估，3D梁系软件具有建模速度快、计算结果精度高和不受网格大小影响等优点。

本文以法国船级社开发的“STEEL”3D梁系计算软件为工具，以某好望角型散货船为研究对象,对船用锅炉下方的船体加强结构进行强度评估。

1 位移法原理

位移法以杆系节点处的节点转角为基本未知数(转角是角位移)，将杆系中的杆件拆为两端刚性固定的单跨梁，根据杆件节点处的弯矩平衡条件建立方程式，求解出位移。

在计算复杂杆系时，相较于力法[1]，采用位移法求解的未知数更少，计算过程更简单，计算结果更精确。位移法既可用来求解超静定结构，又可用来求解静定结构。

图1 节点i处弯矩示意

一般情况下，设杆架中节点i有s根杆件(见图1)，该节点处的弯矩平衡方程式为

Mi1+Mi2+…+Mis=0

(1)

(2)

(3)

式(2)和式(3)中:E为弹性模数;θi和θj为转角;I为惯性矩;lij为杆件的长度。将式(2)和式(3)代入式(1)可得

(4)

(5)

对于整个结构，若有n个节点发生转动，则有

(6)

式(6)又称“位移法方程式”，其中kij=kji，且kii>0，故该方程式也是一个正则方程式。通过求解弯矩平衡方程式组可得到θ1,θ2,θ3,…，θn，由此可根据式(2)和式(3)计算各杆件的杆端弯矩，进而求出各杆件的弯曲要素。

2 3D梁系计算模型

2.1 节点信息

锅炉下方的加强结构为强横梁和纵桁材共同构成的交叉梁系结构。取强横梁和纵桁材的连接点作为梁节点建模，计算中忽略甲板纵骨等次要构件，这种简化方式是偏安全的。图2为加强结构平面图和梁系模型节点定义情况，其中：节点1和节点3下方为舱壁扶强材；节点14下方为立柱。在建模时，梁系结构至少需要延伸至舱壁或甲板等强结构。

2.2 边界信息及梁单元属性

节点0、节点2、节点4、节点18、节点20、节点21、节点31、节点32和节点33位于舱壁/甲板处，可认为是刚性固定点，约束6个自由度，即x、y和z等3个方向的位移和转动。具体边界约束的信息见图3。

按相关的结构图样，所有强横梁和纵桁材的设计尺寸为T800 mm×11.5 mm(10.0 mm)+200 mm×20.0 mm(18.5 mm)。以厚度标注11.5 mm(10.0 mm)为例，11.5 mm为建造厚度，10.0 mm为换新厚度(也称净厚度)，其余类似。建模时取净厚度。需注意，由于锅炉附近有主机尾气排烟的管道，甲板有一些大的开孔(如图2所示)。相应地，在定义梁单元属性时需注意带板宽度的正确定义。梁单元截面形状示意见图3,梁单元尺寸和厚度信息见表1。

a) 加强结构平面图

b) 梁系模型节点定义情况

图2加强结构平面图和梁系模型节点定义情况

图3 梁单元截面形状示意和边界约束信息

梁类型梁单元编号桁材尺寸和净厚度/(mm×mm)带板尺寸和净厚度/(mm×mm)11,5,6,12,14～16,18,24,26～29T800×10.0+200×18.5300×12.022～4,7～11,13,17,19,25,31,33,36T800×10.0+200×18.5875×12.0330,32,34,35T800×10.0+100×13.5300×12.0437I450×12.5/2(450×14.5)立柱,无带板538,39HP240×8.5300×7.5620～23T800×10.0+200×18.5400×10.5

图4 模型加载情况示意

2.3 加载信息

取船舶的垂向运动加速度az=0.5g，其中g为重力加速度。梁单元的自重约为11.2 t，考虑船舶垂向运动后梁单元的自重为16.8 t。

根据该船的锅炉设备资料，包含水的锅炉最大质量为40.3 t，考虑锅炉底座与甲板下加强结构的对应位置，将锅炉总质量均匀分布在7个节点上(各节点间的距离近似相等)，各节点的垂向力均为85 kN(见图4)。

3 强度评估结果

3.1 变形情况

图5为变形情况示意(变形放大系数为1∶200)，结构最大变形发生在节点13处，变形量为6.5 mm。由图5可知,锅炉下方船体加强结构有足够的刚度，结构的变形很小。

图5 变形情况示意

3.2 应力计算结果

合成应力和剪切应力计算结果见图6。由图6可知，最大应力满足船级社规范[2]对许用应力的要求(见表2)。

a) 合成应力

b) 剪切应力

应力最大应力(优化前)最大应力(优化后)许用应力是否满足规范要求合成应力σ/MPa118120157满足剪切应力τ/MPa35 3691满足

从应力计算结果中可看出，远离锅炉区域的梁构件应力较小，有进一步优化的空间。若只考虑锅炉加强因素，经测试，远离锅炉区域的梁尺寸T800 mm×10.0 mm+200 mm×18.5 mm可优化为T600 mm×10.0 mm+100 mm×10.0 mm，结构质量可减轻约1 t，最大应力和变形量几乎保持不变。

3.3 轴向受压的支柱和舱壁垂向扶强材屈曲校核

根据船级社规范[2]，对轴向受压的立柱和舱壁垂向扶强材的屈曲能力进行校核，结果满足规范的要求(见表3)。

表3 压杆稳定性校核结果

4 结 语

本文以某好望角型散货船锅炉底座下的船体加强结构为例，运用3D梁系计算软件建模并进行结构强度评估，通过计算得到船体加强结构的变形和应力情况，结果满足船级社规范的要求。对于该算例而言，远离锅炉处的梁应力较小，在满足强度要求的基础上给出了优化方案。此外，在进行结构优化设计时需注意在满足应力要求的同时，考虑结构变形对锅炉设备正常运行的影响。本文所述强度评估方法可为船体加强结构的设计、强度校核和优化提供指导。