双体甲板运输驳结构强度20080904.doc

双体甲板运输驳结构强度有限元直接计算报告张少雄武汉理工大学 交通学院2008年9月2日双体甲板运输驳结构强度 有限元直接计算报告1. 概述为了配合上海闵浦二桥钢梁的浮运，拟采用两艘300 t甲板驳连体建造双体甲板运输驳（以下简称“本船”），完成26个完整钢梁节段、2个散装合拢节段的运输任务。其中最大节段重量528 t，尺寸为26.1 m（长）23.0 m（宽）14.3 m（高）。航行于长江A级航区。所采用的300 t甲板驳的主尺度及主要参数为：总 长LOA45.00 m水线长LWL42.25 m型 宽B10.50 m型 深D2.10 m满载吃水d1.30 m满载排水量420.0t方形系数Cb0.772肋距s500mm梁拱160mm改造的方案是：在两艘甲板驳之间做一个宽度为1500 mm的连接桥，长度范围为Fr16Fr72。连接桥由甲板、底板（距极限高度为750 mm）、横隔板（间距4个肋距，与甲板驳强肋骨相接）等组成，其甲板、底板由横梁加强。本报告根据300 t甲板驳结构图纸以及双体甲板驳改造设计图纸建立本船的三维有限元计算模型，依据CCS钢质内河船舶建造规范（2008）（以下简称“指南”）之第14章的要求计算载荷和施加边界条件，对本船载运最大钢梁节段的航行状态（设计吃水）下的总纵强度、总横强度及扭转强度进行直接计算；按照指南中给定的强度标准对本船主要构件的结构强度进行评估。计算所采用的软件是MSC.Patran / Nastran （2001）。2. 计算依据 结构图纸n 300 t甲板驳u 基本结构图u 横剖面图u 总布置图u 型线图n 双体甲板驳改造设计结构图 钢箱梁运输技术参数 CCS钢质内河船舶建造规范（2008）3. 计算模型对改造设计的双体甲板驳中的主要结构构件建立全船有限元模型。建模过程中尽可能地按照实际情况考虑诸如肘板、开孔、圆弧过渡等构造细节，但对于尾部简单的上层建筑进行了简化处理。3.1 坐标系取右手直角坐标系：原点取在一个片体（甲板驳）中纵剖面Fr0的基线处，x轴沿船长方向，向首为正；y轴沿船宽方向，指向左舷为正；z轴沿高度方向，向上为正。参见图3.1。3.2 有限元模型双体甲板驳的全船有限元模型如图3.1所示。图3.1 双体甲板驳的计算模型为了赋单元属性以及加载的方便，模型分成了表3.1所列的20 组。分组的模型（网格）参见图3.2-1图3.2-6。图3.2-1 外底、舷侧外板、舷侧纵桁表3.1 分组情况Noname构件说明11_bracket_long纵向肘板21_btm外底板31_btmgir底纵桁41_deck甲板51_deckgir甲板纵桁61_shell舷侧外板71_stringer舷侧纵桁（边压筋）81_truss支柱及桁架92_bhd横舱壁102_bhd_stiff舱壁扶强材112_bracket横向小肘板122_deckbeam甲板强横梁132_floor实肋板142_frame强肋骨15s_deck尾楼甲板16s_wall尾楼围壁17z_XY连接桥甲板及底板18z_YZ连接桥横隔板19z_bracket连接桥肘板20zz_all全部图3.2-2 底纵桁、实肋板、强肋骨图3.2-3 甲板图3.2-4 甲板纵桁、强横梁图3.2-5 横舱壁及其扶强材、支柱和桁架图3.2-6 肘板图3.2-7 连接桥结构图3.2-8 上层建筑3.3 材料参数本船全部采用普通低碳钢，材料参数包括：杨氏模量E=2.06105 N/mm2Poisson比=0.3质量密度=7.8510-9 t/mm33.4 单元和网格计算模型中共采用两类单元：板（shell）单元：模拟甲板、舷侧外板、外底板、底纵桁、横舱壁、实肋板、强肋骨腹板、甲板强横梁、肘板的腹板等构件中的板壳结构，板厚取建造厚度。板单元以四边形单元为主，在构件连接和圆弧过渡的地方采用少量三角形单元。梁（beam）单元：模拟各种构件上的纵骨、横梁、普通肋骨、加强筋、扶强材、面板等。按照实际情况考虑梁的截面和偏心。有限元模型的网格大小：横向以纵骨间距（约450）为基准，纵向取肋距（500 mm）。四边形单元边长比不超过1:2。3.5 单元属性1） 模型中板单元的属性见表3.2。表3.2 板单元属性Noname板厚(mm)范围1p_bhd_1111.0 横舱壁（加复板）2p_bhd_55.0 横舱壁3p_bhd_stiff_44.0 舱壁扶强材腹板4p_bilge_55.0 舭板5p_bracket_55.0 小肘板6p_btm_4.54.5 外底板7p_btmgir_floor_55.0 底纵桁、实肋板8p_deck_66.0 甲板9p_deck_88.0 10p_deckgir_beam_55.0 甲板纵桁、强横梁腹板11p_frame_55.0 强肋骨腹板12p_s_deck_33.0 尾楼甲板13p_s_wall_33.0 尾楼围壁14p_s_wall_44.0 15p_shell_4.54.5 舷侧外板16p_shell_55.0 舷顶列板17p_stringer_55.0 舷侧纵桁腹板18pz_1010.0 连接桥甲板19pz_66.0 连接桥横隔板20pz_88.0 连接桥底板21pz_bracket_66.0 连接桥小肘板2） 模型中梁单元的属性见表3.3。表3.3 梁单元属性Noname截面方向偏心范围1b_bhd_L75_-xL75505舱壁加强筋2b_bhd_L75_xL755053b_bhd_stiff_f580舱壁扶强材面板4b_bracket_f550肘板折边5b_bracket_f_y5506b_btm_L75L75505外底纵骨7b_btmgir_f680底纵桁面板8b_deck_beam_L63L63404甲板横梁9b_deck_gir_L100_4L100404尾楼悬伸甲板纵桁10b_deck_long_L90L90566甲板纵骨11b_deckbeam_f_6_80680甲板强横梁面板12b_deckbeam_f_8_8088013b_deckgir_f_6_80680甲板纵桁面板14b_deckgir_f_8_8088015b_floor_f680实肋板面板16b_frame_f680强肋骨面板17b_s_deck_L45L45284尾楼甲板横梁18b_s_wall_5_40_-x540尾楼围壁加强筋19b_s_wall_5_40_-y54020b_s_wall_5_40_x54021b_s_wall_5_40_y54022b_shell_fr_L63_-xL63404舷侧普通肋骨23b_shell_fr_L63_-yL6340424b_shell_fr_L63_yL6340425b_shell_fr_L75_-yL7550526b_shell_fr_L75_yL7550527b_stringer_f680舷侧纵桁面板28bz_L250_-zL250*80*529bz_L250_zL250*80*530bz_L90_-xL90566连接桥横梁31bz_L90_-zL9056632bz_L90_xL9056633bz_L90_zL9056634bz_bracket_f880连接桥肘板折边35bz_hole_f680连接桥横隔板开孔面板36pillar_102_5o1025支柱37pillar_76_5o76538truss_L70_-yL70705桁架39truss_L70_yL707053.6 计算工况针对本船载运最大钢箱梁节段（528t），并达到设计吃水的状态应该是最危险的状态本报告主要计算分析了以下几种计算工况，以综合考查本船的总强度（在港和航行状态）、局部强度、总横强度以及扭转强度。计算工况的简要说明见表3.4。表3.4 计算工况NoName载荷考查1sta_528结构重量、节段重量、舷外水压力（静水1300）在港总强度、局部强度2hog_528_head结构重量、节段重量、舷外水压力（波浪中拱）航行总强度、局部强度3sag_528_head结构重量、节段重量、舷外水压力（波浪中垂）4n_MH总横弯矩连接桥横强度5n_MT双体船扭矩扭转强度3.7 边界条件对1、2、3工况，在重力、浮力调整得基本平衡的情况下，采用惯性释放处理边界条件（因为是全船模型）。工况4和工况5的边界条件分别按照指南14.6.4.1和14.6.4.2施加。即：在计算总横强度时（工况4），将其中一个片体的底部施加约束，采取在舭部节点施加线位移约束TxTyTz0；在船底强构件交叉节点上施加线位移约束TxTz0。在计算扭转强度时（工况5），在连接桥中心节点上施加全约束，TxTyTzRxRyRz0。3.8 载荷3.8.1 总强度载荷在工况1、工况2和工况3中，模型中施加的载荷包括： 结构自重约180 t。由于采用惯性释放，所以结构自重以集中力的形式施加到主船体所有节点上。因为网格比较均匀，这样简化不会引起大的误差。 钢箱梁节段重量528 t。以节点力的形式施加到本船甲板纵桁与强横梁的交叉节点上（载运时有专用依甲板纵桁及强横梁位置而建的托架，还可以铺木板使得传到甲板上的载荷趋于均匀）。 压载水设计吃水时本船排水量约840 t，载运528 t节段（重心偏前）时，要调整浮态，需要约130 t压载水，压在Fr0Fr16的舱内。模型中以面（静水）压力的形式施加压载水重量。 舷外水压力静水（在港）状态，吃水1300 mm，压力函数为：max(0, 9.81e-6*(1300-Z)波浪（A级航区，波高2.5 m，波长30.0 m）中拱状态，经过吃水调整，压力函数为：max(0, 9.81e-6*(-1250*cosr(6.283185*(X-5000)/30000)+1406.6-Z)波浪中垂状态，经过吃水调整，压力函数为：max(0, 9.81e-6*(1250*cosr(6.283185*(X-5000)/30000)+1066.3-Z)3.8.2 横强度载荷按照14.6.2.2，总横弯矩由连接桥上的垂向剪力形成。其中排水量840.0 ts航区系数8.0Q1030.05kN计算时，将上述垂向剪力平均作用在另一个片体中纵剖面船底强构件的交叉节点（Fr0Fr80，共21个）上，每个节点的集中力为49.05 kN。3.8.3 扭转强度载荷按照14.6.2.3，双体船上的扭矩为其中Ca水线面修正系数0.79 b双体船片体宽度21.00 mb1连接桥宽度1.50 mL船长40.00 m排水量840.00 tr半波高1.25 md设计吃水1.30 mMt17209.17 kN -m计算时，扭矩采取在片体中纵剖面船底强构件交叉节点上，按反对称方式沿船长方向施加等值的垂向集中力，垂向集中力的大小按与扭矩值等效来确定。扭矩绕y轴作用，每个节点的等效垂向集中力的大小为86.04586255 kN。4. 主要应力结果及强度评估4.1 强度标准按照指南14.6.5，双体船总强度许用应力为表4.1（指南的表14.3.6.6）。表4.1 总强度许用应力双体船总横强度和扭转强度许用应力为表4.2（指南的表14.7.6.1）。表4.2许用应力4.2 结果分组为了更好地利用表4.1和表4.2的强度标准评估各种构件的强度，对模型中的构件进行了重新分组，见表4.3。其中没有包含尾楼结构，因为其在各种计算工况下的应力水平都较小。表4.3 提取应力时的重新分组Noname构件说明1 m1_btm外底板、连接桥底板2 m1_btmgir底纵桁3 m1_deck甲板、连接桥甲板4 m1_deckgir甲板纵桁5 m1_shell舷侧外板6 m1_stringer舷侧纵桁7 m2_bhd横舱壁及其扶强材8 m2_bracket横向小肘板9 m2_deckbeam甲板强横梁10 m2_floor实肋板11 m2_frame强肋骨12 m_all全部主船体4.3 板单元应力结果各种计算工况下，本船各种构件上板单元形心中面应力（分量）最大/最小值的结果列于表4.4。其中为了避开边界条件以及等效集中力对应力计算结果的影响，对横强度（工况4）仅取连接桥以及与之相连（相近）的片体部分的单元结果。表4.4 各种构件在各计算工况下板单元应力（分量）最大/最小值结果（MPa）m1_btm1SeSxSySzTmaxMaxMinMaxMinMaxMinMaxMaxsta57.52 -57.90 3.85 -17.86 18.30 -8.48 4.74 30.52 hog129.27 -128.66 5.47 -46.24 29.48 -15.55 12.73 68.69 sag29.32 -30.36 19.67 -26.46 15.39 -5.43 7.16 16.90 n_MT61.24 -33.57 33.57 -28.26 28.26 -14.80 14.80 34.70 n_MH77.67 -20.51 28.11 -8.91 71.01 -11.13 30.39 44.39 Min/Max129.27 -128.66 33.57 -46.24 71.01 -15.55 30.39 68.69 许用值192.00 165.00 91.00 67%78%75%m1_btmgir2SeSxSySzTmaxMaxMinMaxMinMaxMinMaxMaxsta58.11 -57.52 15.10 -0.40 0.00 -8.72 17.04 30.10 hog128.13 -121.45 25.54 -0.33 0.00 -14.97 24.99 64.69 sag84.89 -49.42 21.80 -0.40 0.01 -9.70 12.21 45.95 n_MT50.21 -44.27 44.27 -0.27 0.27 -25.73 25.73 26.11 n_MH20.41 -21.29 9.54 -0.48 0.09 -12.92 2.08 10.92 Min/Max128.13 -121.45 44.27 -0.48 0.27 -25.73 25.73 64.69 许用值181.00 181.00 91.00 71%67%71%m1_deck3SeSxSySzTmaxMaxMinMaxMinMaxMinMaxMaxsta74.76 -5.29 48.13 -17.99 15.54 -0.18 0.06 41.23 hog111.92 -8.24 107.01 -18.43 40.06 -0.24 0.07 56.61 sag44.98 -17.26 34.11 -14.54 12.57 -0.08 0.05 24.10 n_MT61.04 -31.46 31.46 -14.23 14.23 -0.05 0.05 35.18 n_MH61.49 -15.20 18.12 -60.70 2.36 -0.37 0.03 31.87 Min/Max111.92 -31.46 107.01 -60.70 40.06 -0.37 0.07 56.61 许用值192.00 165.00 91.00 58%65%62%m1_deckgir4SeSxSySzTmaxMaxMinMaxMinMaxMinMaxMaxsta41.25 -9.43 40.00 -0.08 0.16 -27.52 35.33 21.54 hog99.74 -10.46 92.26 -0.09 0.17 -35.53 47.23 49.90 sag36.97 -22.38 18.10 -0.06 0.16 -12.18 13.52 19.84 n_MT63.67 -29.72 29.72 -0.22 0.22 -56.09 56.09 36.63 n_MH40.25 -9.39 14.60 -0.05 0.10 -4.93 6.74 23.23 Min/Max99.74 -29.72 92.26 -0.22 0.22 -56.09 56.09 49.90 许用值181.00 181.00 91.00 55%51%55%m1_shell5SeSxSySzTmaxMaxMinMaxMinMaxMinMaxMaxsta73.54 -30.46 63.99 -6.18 19.26 -15.65 9.20 38.24 hog113.50 -64.52 96.34 -6.15 19.77 -32.19 12.67 65.50 sag49.77 -16.13 51.00 -5.27 16.37 -12.25 8.84 25.96 n_MT56.39 -31.80 31.80 -8.65 8.65 -15.35 15.35 32.54 n_MH44.01 -14.16 16.59 -5.37 9.24 -41.03 29.80 24.18 Min/Max113.50 -64.52 96.34 -8.65 19.77 -41.03 29.80 65.50 许用值192.00 165.00 91.00 59%58%72%m1_stringer6SeSxSySzTmaxMaxMinMaxMinMaxMinMaxMaxsta22.82 -23.07 8.10 -2.06 5.39 -0.61 0.08 11.57 hog47.75 -48.16 11.60 -4.87 3.92 -0.70 0.05 24.11 sag23.55 -8.71 7.56 -4.21 4.29 -0.45 0.07 13.56 n_MT27.65 -26.62 26.62 -3.66 3.66 -0.69 0.69 14.22 n_MH56.04 -17.51 20.98 -4.70 34.10 -0.38 0.75 28.36 Min/Max56.04 -48.16 26.62 -4.87 34.10 -0.70 0.75 28.36 许用值181.00 181.00 91.00 31%27%31%m2_bhd7SeSxSySzTmaxMaxMinMaxMinMaxMinMaxMaxsta49.97 -40.16 32.48 -19.83 17.84 -37.79 36.46 26.53 hog82.90 -83.83 65.45 -39.34 28.46 -60.05 61.39 44.12 sag43.38 -23.97 20.85 -13.12 12.03 -29.71 30.24 24.09 n_MT64.85 -55.64 55.64 -38.14 38.14 -29.63 29.63 37.44 n_MH111.88 -11.94 8.18 -63.10 112.10 -46.32 37.11 60.87 Min/Max111.88 -83.83 65.45 -63.10 112.10 -60.05 61.39 60.87 许用值165.00 91.00 68%67%m2_bracket8SeSxSySzTmaxMaxMinMaxMinMaxMinMaxMaxsta11.36 0.00 0.00 -8.24 9.97 -5.39 5.13 6.13 hog17.69 0.00 0.00 -15.42 14.86 -10.99 10.08 9.16 sag10.72 0.00 0.00 -7.99 9.37 -4.51 5.64 5.82 n_MT9.59 0.00 0.00 -6.77 6.77 -3.83 3.83 5.07 n_MH145.28 0.00 1.79 -20.63 81.10 -8.31 29.49 78.41 Min/Max145.28 0.00 1.79 -20.63 81.10 -10.99 29.49 78.41 许用值188.00 105.00 77%75%m2_deckbeam9SeSxSySzTmaxMaxMinMaxMinMaxMinMaxMaxsta48.06 0.00 0.00 -25.98 24.59 -13.03 7.96 27.46 hog88.22 0.00 0.00 -63.42 65.35 -24.02 23.75 49.85 sag42.21 0.00 0.00 -18.69 34.49 -10.64 9.20 21.35 n_MT53.78 0.00 0.00 -26.74 26.74 -14.85 14.85 30.58 n_MH71.55 0.00 0.00 -32.45 27.15 -18.13 8.24 41.24 Min/Max88.22 0.00 0.00 -63.42 65.35 -24.02 23.75 49.85 许用值165.00 105.00 53%47%m2_floor10SeSxSySzTmaxMaxMinMaxMinMaxMinMaxMaxsta58.45 0.00 0.01 -24.05 33.25 -19.93 13.01 32.83 hog125.25 0.00 0.01 -72.18 72.30 -48.83 18.57 70.32 sag82.48 -0.01 0.00 -38.16 36.05 -29.00 11.38 45.53 n_MT61.56 -0.01 0.01 -52.65 52.65 -22.06 22.06 33.17 n_MH102.68 -0.01 0.01 -13.06 75.30 -50.20 36.96 58.10 Min/Max125.25 -0.01 0.01 -72.18 75.30 -50.20 36.96 70.32 许用值165.00 105.00 76%67%m2_frame11SeSxSySzTmaxMaxMinMaxMinMaxMinMaxMaxsta48.79 0.00 0.00 -14.03 36.65 -35.52 20.98 25.03 hog130.44 0.00 0.00 -39.40 97.37 -65.55 68.58 66.86 sag58.42 0.00 0.00 -27.31 43.27 -30.10 29.22 29.91 n_MT74.84 0.00 0.00 -27.28 27.28 -40.42 40.42 43.21 n_MH115.05 0.00 0.00 -37.38 36.38 -57.14 18.88 66.15 Min/Max130.44 0.00 0.00 -39.40 97.37 -65.55 68.58 66.86 许用值165.00 105.00 79%64%m_all12SeSxSySzTmaxMaxMinMaxMinMaxMinMaxMaxsta74.76 -57.90 63.99 -25.98 36.65 -37.79 36.46 41.23 hog130.44 -128.66 107.01 -72.18 97.37 -65.55 68.58 70.32 sag84.89 -49.42 51.00 -38.16 43.27 -30.10 30.24 45.95 n_MT74.84 -55.64 55.64 -52.65 52.65 -56.09 56.09 43.21 n_MH145.28 -21.29 28.11 -63.10 112.10 -57.14 37.11 78.41 Min/Max145.28 -128.66 107.01 -72.18 112.10 -65.55 68.58 78.41 许用值192.00 181.00 105.00 76%71%75%各种计算工况下，本船主船体部分板单元相当应力的结果云图分别见图4.1-1图4.1-5。各主要构件，板单元应力较大的工况下相当应力的结果云图分别见图4.2-1图4.2-7。结果表明：本船所有纵向构件和横向构件上的板单元，在设计载荷作用下，应力水平均规范规定的许用应力范围之内。图4.1-1 主船体，工况1、板单元的结果云图（单位MPa）图4.1-2主船体，工况2、板单元的结果云图（单位MPa）图4.1-3主船体，工况3、板单元的结果云图（单位MPa）图4.1-4主船体，工况4、板单元的结果云图（单位MPa）图4.1-5主船体，工况5、板单元的结果云图（单位MPa）图4.2-1 外底板，工况2、板单元的结果云图（单位MPa）图4.2-2 底纵桁、实肋板，工况2、板单元的结果云图（单位MPa）图4.2-3 甲板，工况2、板单元的结果云图（单位MPa）图4.2-4 甲板纵桁、强横梁，工况2、板单元的结果云图（单位MPa）图4.2-5 舷侧外板、舷侧纵桁，工况2、板单元的结果云图（单位MPa）图4.2-6 横舱壁，工况4、板单元的结果云图（单位MPa）图4.2-7 强肋骨、小肘板，工况4、板单元的结果云图（单位MPa）4.4 梁单元应力结果各种计算工况下，本船各种构件上梁单元轴向应力之最大/最小值的结果列于表4.5。其中为了避开边界条件以及等效集中力对应力计算结果的影响，对横强度（工况4）仅取连接桥以及与之相连（相近）的片体部分的单元结果。表4.5 各种构件在各计算工况下梁单元轴向应力的最大/最小值结果（MPa）组m1_btmm1_btmgirm1_deckm1_deckgirm1_shell工况MinMaxMinMaxMinMaxMinMaxMinMaxsta-64.15 14.01 -90.19 49.56 -26.51 37.22 -36.63 64.01 -32.25 23.01 hog-133.11 24.72 -202.98 72.40 -38.45 78.20 -64.68 155.42 -42.77 36.99 sag-37.74 54.54 -80.39 47.52 -25.60 17.60 -44.60 38.49 -31.11 61.14 n_MT-25.89 25.89 -97.43 97.43 -26.25 26.25 -61.41 61.41 -27.39 27.39 n_MH-26.49 22.13 -24.37 14.07 -40.21 18.97 -23.45 41.79 -50.13 15.91 Min/Max-133.11 54.54 -202.98 97.43 -40.21 78.20 -64.68 155.42 -50.13 61.14 许用值181.00 181.00 181.00 181.00 181.00 %74%112%43%86%34%组m1_stringerm2_bhdm2_bracketm2_deckbeamm2_floor工况MinMaxMinMaxMinMaxMinMaxMinMaxsta-25.02 16.74 -72.40 66.22 -12.23 6.79 -56.89 64.18 -72.53 76.85 hog-50.76 29.48 -123.49 116.91 -19.35 11.38 -138.91 167.60 -208.54 168.19 sag-20.57 23.12 -60.47 63.90 -7.95 8.15 -45.21 80.51 -99.36 100.56 n_MT-31.51 31.51 -44.86 44.86 -10.09 10.09 -59.43 59.43 -95.09 95.09 n_MH-30.69 35.43 -34.58 51.86 -3.85 133.40 -43.23 69.57 -33.64 130.03 Min/Max-50.76 35.43 -123.49 116.91 -19.35 133.40 -138.91 167.60 -2