甲板驳船体结构局部强度校核陈家旺王.doc

作者简介：陈家旺（1985），男，山东菏泽人，工程师，主要从事船检和海事管理工作。 韩 强（1980），男，山东济宁人，工程师，主要从事船检工作。 杨新利（1963），男，山东烟台人，高级工程师，注册B级验船师。14000t甲板驳船船体结构局部强度校核陈家旺，韩强，杨新利（浙江省海盐县港航管理处，浙江 海盐 314300）摘要：以宁海驳16001甲板驳船为研究对象，该驳船主要用于运输崇启大桥桥梁，航行于靖江至启东，载重量14000t，桥梁通过支架安放在甲板上，为保证船舶结构的安全性很有必要对其进行局部强度校核。本文根据钢质内河船舶建造规范（2009），按照设计图纸，使用MSC.Patran有限元软件建立全船有限元模型，取用强度标准，根据该船实际装载三种不同长度和重量的桥梁，定义三种工况进行局部强度校核。计算结果表明原设计的甲板驳船结构构件，除了甲板纵桁和横梁外，强度都满足规范要求，笔者提出了局部结构强度加强方案，校核结果表明该方案可行，建议采取该方案施工。关键词：甲板驳船；局部强度；有限元1 引言宁海驳16001甲板驳船主要用于运输崇启大桥桥梁，桥梁通过支架安放在甲板上，为保证船舶结构的安全性很有必要对其进行局部强度校核1-2。本文根据钢质内河船舶建造规范（2009）3，取用强度标准，按照设计图纸，使用MSC.Patran有限元软件建立全船有限元模型，根据该船实际装载三种不同长度和重量的桥梁，定义三种工况，对其局部强度校核。2 实船资料图1 宁海驳16001横剖面图宁海驳16001为钢质全焊接结构，单甲板、单底，混合骨架型式，机动甲板驳船。主甲板结构、船底结构为混合骨架式，舷侧结构、纵横舱壁为横骨架式。共有175个肋位，间距625mm，3道纵舱壁，间距为8米，6道横舱壁，甲板结构中设有甲板纵桁、纵骨和强横梁，纵横舱壁上设有扶强材，船体内部设有大量柱子和撑杆做支撑，横剖面图如1所示。其主尺度为：总 长 110.00 m水 线 长 108.50 m型 宽 32.00 m型 深 7.50 m设计吃水 5.60 m载 重 量 14000t航 区 靖江至启东3 建立有限元模型3.1 有限元模型图2 甲板驳有限元模型根据文献3采用三维有限元模型，模型范围包括左右两舷，纵向范围为整个船长，垂向范围为型深，有限元模型如图2所示。船体构件的有限元网格沿船体纵向按肋距划分，沿船体横向肋骨间距划分。模型中甲板、舷侧、纵横舱壁、尾封板以及甲板纵桁、强横梁腹板等强构件采用四节点壳单元，甲板纵骨、纵横舱壁上的扶强材以及起支撑作用的柱子、斜撑等构件采用杆单元模型。模型的端部和底部所有节点刚性固定。3.2 工况定义表1 工况定义名称长度（m）重量（t）数量LC-1185.029231LC-2146.822231LC-355.69322该甲板驳船装载三种不同长度和重量的桥梁，其装载分配图如图3-5所示，本文定义三种工况进行强度校核，见表1。图3 桥梁长度为185m装载分配图（LC-1）图4 桥梁长度为146.8m装载分配图(LC-2)图5 桥梁长度为55.6m装载分配图(LC-3)4 结果分析4.1 应力结果根据MSC.Nastran计算结果将甲板驳船结构构件在3个工况中应力进行汇总，取用文献3第14章第7节强度标准，如表2所示。表2 甲板驳船结构构件应力汇总构件名称工况许用应力MPa实际应力MPa是否满足构件名称工况许用应力MPa实际应力MPa是否满足甲板LC-1155123满足边纵舱壁扶强材LC-120028.38满足LC-261.5满足LC-223.6满足LC-311.4满足LC-317.7满足甲板纵桁LC-1128225否横舱壁LC-117529.4满足LC-2118满足LC-220.8满足LC-325.6满足LC-311.8满足甲板纵骨LC-115333.6满足横舱壁扶强材LC-120029.4满足LC-218.5满足LC-220.8满足LC-33.07满足LC-311.8满足甲板横梁LC-1128202否舷侧LC-115520.8满足LC-2110满足LC-211.0满足LC-317.6满足LC-38.4满足中纵舱壁LC-1155116满足舷侧扶强材LC-120020.8满足LC-276.3满足LC-211.0满足LC-314.6满足LC-38.4满足中纵舱壁扶强材LC-1200116满足艉封板LC-117557.7满足LC-276.3满足LC-230.1满足LC-314.6满足LC-39.8满足边纵舱壁LC-115528.4满足艉封板扶强材LC-120057.7满足LC-223.6满足LC-230.1满足LC-317.7满足LC-39.8满足表2结果表明甲板驳船结构构件在3中工况中，工况1应力最大，除了甲板纵桁和甲板横梁大于许用应力，其余构件强度都满足规范要求。 图6 甲板纵桁应力图（LC-1） 图7 甲板横梁应力图（LC-1）图8 甲板上支撑桥梁的支架结构图6-7是甲板纵桁和横梁在工况1中的应力图。从图中看出甲板驳在装载185m桥梁时，距离船中左右4000mm、 Fr1Fr6和Fr170Fr175处甲板纵桁和甲板横梁应力过大，这是因为桥梁在甲板两端部的载荷过大，而且桥梁过长在装载时，在甲板上的落脚点为一个点，如图8所示，该落脚点没有在甲板纵桁和横梁交叉的部位或者底部没有设置柱子作为支撑，甲板没有足够的强度抵抗上部的集中载荷，故产生了应力集中，应力过大。4.2 加强方案 图9 甲板驳艏艉结构加强针对上述甲板纵桁和甲板横梁不满足强度要求而且出现应力集中情况，笔者设计一种加强方案，使得艏艉两端集中载荷位于强构件上，具体方案：在Fr2、Fr3、Fr6、Fr170、Fr173和Fr174两旁纵舱壁之间加设强横梁，T型材尺寸为，考虑艏艉受集中载荷大，在Fr2、Fr3和Fr173、Fr174所加的甲板强横梁和纵桁交叉部位设置支柱作为支撑，柱子尺寸为，艏艉结构加强方案如图9所示。4.3 加强后应力结果图10 甲板纵桁应力图（LC-1） 图11 甲板横梁应力图（LC-1）表3 甲板纵桁、横梁应力（加强后）构件名称工况许用应力MPa实际应力MPa是否满足甲板纵桁LC-112891.6满足甲板横梁LC-112891.6满足图10-11为甲板驳加强后的甲板纵桁和横梁应力图，表3为加强后的甲板纵桁和甲板横梁应力值，其他构件的应力值不再列出。从图和表中可以看出甲板驳应用笔者设计的加强方案后，位于甲板两端的集中力得到有效分配，没有产生应力集中，甲板纵桁和横梁应力分别降低了133.4MPa和110.4MPa，低于规范中许用应力，满足规范要求。该加强方案使用材料少、施工方便可行、效果明显，建议采取该方案施工。5 结论本文根据钢质内河船舶建造规范，取用强度标准，按照设计图纸，使用MSC.Patran有限元软件建立全船有限元模型，按照实际装载三种不同长度和重量的桥梁，定义三种计算工况，对其局部强度校核。通过校核结果得出：1) 甲板驳船结构构件在工况1中应力最大，除了甲板纵桁和甲板横梁外，其余构件强度都满足规范要求；2) 甲板驳在装载185m桥梁时，距离船中左右4000mm、 Fr1Fr6和Fr170Fr175处甲板纵桁和横梁应力过大，出现应力集中；3) 甲板驳艏艉结构加强后，集中力得到有效分配，甲板纵桁和横梁应力低于许用应力，满足规范要求，该方案可行有效，建议采取该方案施工。参考文献1 张少雄，陈南华，张伟. 8000t级江海直达驳船的全船结构强度直接计算J. 船海工程