【《养殖工船的计算工况和载荷分析案例》3100字】

[16]要求，对养殖工船在操作工况状态下进行全船结构强度计算。参考以上CCS规范要求，对船体桁架结构和全船模型的前后浮箱采用直接计算方法进行强度校核，直接计算应符合规范要求，本计算按上述规范进行，采用三维有限元模型进行该船主要构件的强度直接计算，计算载荷计包括及波浪弯矩（由波浪产生的相对于静水状态浮力的增加所导致的）及舷外水压。1.2计算工况参考规范要求，本计算仅考虑端面弯矩和舷外水压的影响，计算工况取操作状态下100%油水对应的实际工况进行计算。具体计算工况如下表7所示：表7计算工况说明工况装载情况吃水（)桁架工作工况舷外静水压力和动水压力+压载水+上层建筑压力+船的重力+吊机的重力+相关弯矩10船首拖航工况舷外静水压力和动水压力+压载水+上层建筑压力+船的重力+船首前端拉力7.5船尾甲板工作工况舷外静水压力和动水压力+压载水+上层建筑压力+船的重力+船尾中间甲板载荷7.51.3舷外水压力舷外水压力（方向是类似于挤压船体外结构作用的）由静水压力（由水深决定）和波浪动水压力（由水质点的运动作用产生且会有加速度）两部分组成，参考CCS相应的规范的要求，得到下列计算舷外水压的公式。基线处：水线处：舷侧顶端处：甲板上的水动压力：上式中：将对应数值带入上述相应公式即可得到下表8所示的水压数值。表8船体不同吃水状态下的水压船体所受水压7.5米吃水10米吃水波浪系数8.5148.514系数6.0357.7基线处水压水线处水压舷顶端水压甲板处水压考虑到工程实际中船的的舷外水压力是以线性分布于船的表面，船最高处舷外水压力最小，最低处舷外水压力最大，具体的船的不同部位水压力数值如上表8所示，由船的总布置图可知船的哪些部位可加入上述的舷外水压，本文采用场的形式加载舷外水压力，Patran中的场是在Fields中建的，考虑到吃水深度与船的型深应根据具体情况加入水压力的场，一般一个场中至少可加入三个不同深度处的水压值。1.4压载水养殖工船舱内压载水产生的压力（船舱内底部压载水方向竖直向下，沿z轴负向，舱内侧面压载水压力是朝外作用的，而舱外水对压载舱的作用是朝着挤压方式的）通过下式确定：式中：为舱内压载水密度，值为1.025为压载水液面距基线的垂直距离，考虑到工程实际中船的压载水压力是以线性分布于压载箱的表面，压载水液面处压载水压力最小为0，压载箱底部压载水压力最大具体数值根据上述公式即可计算得出，根据此养殖工船总布置图可以得知具体压载箱所在位置和压载箱高度即压载水深度，同样压载水压力也是以场的形式加载在模型上的，与舷外水压不同，压载水的场的加载只需加入两个不同深度的水压值。1.5上层建筑压力考虑到工程实际中养殖工船工作甲板甲板会受到上层建筑的力，而模型中未建具体的上层建筑（装载货物，甲板室，船楼等），所以用分布力代替上层建筑，分布力分布于船首上甲板整个平面和船尾上甲板的整个平面，船尾处上层建筑所给总压力为,船首处上层建筑所给总压力为，船首的上层建筑分布力为,船尾的上层建筑分布力为，上层建筑压力方向竖直向下，方向沿z轴负向。1.6船的自重船的重力（方向为竖直向下，沿z轴负向）以惯性载荷代替,值为98001.7拖航工况船首拖曳点拉力为了研究此类养殖工船模型船首结构的强度大小，且考虑到工程实际的需要，选取了拖航状态下船首结构分别在50吨、160吨、170吨等12种不同拉力（方向沿x轴正向）作用下，（对拉力的取值说明如下：50吨的拉力为工程实际中船首结构受到的拉力，所以研究此时船首结构的受力非常有参考价值，而越到后面拉力值间隔约小也是因为此时的应力计算结果很接近许用应力，所以为了找到船首结构所能承受的最大拉力值，取了如下这样的拉力值）对其养殖工船模型进行强度直接计算，得出对应工况下的梁的轴向应力，弯曲应力及板的vonMises应力，与其许用应力进行比较得出船首结构所能承受的最大拉力，为解决工程实际问题提供参考，对12个不同拉力值下的工况进行了强度计算（如下表9所示）表9船首结构不同工况下的拉力值工况序号123456789101112拉力（吨）501601701801902002052102152202212251.8桁架工作工况装载补充1.8.1相关说明为了探究养殖工船模型桁架结构的强度变化，在不同大小和方向的弯矩作用下，对养殖工船模型进行强度计算，得出相应梁的轴向应力，弯曲应力和梁的变形，在比较桁架的许用应力及考虑到加载处的形变，得出桁架结构的最优弯矩，进而得出最优力臂，为解决工程实际问题提供参考。吊机及其引起的弯矩加载的位置选在桁架的强结构处如下图14所示图14桁架载荷加载示意图1.8.2吊机重力吊机施加给桁架的力的方向竖直向下，沿着z轴负向，一般来说，工程实际中的吊机的重力为10吨，但为了进一步的研究桁架能否承受与船宽一样的力臂引起的弯矩值，进而找到养殖工船桁架结构所能承受的最大力臂，但考虑到实际中若力臂很大，调集的重力还取10吨就不现实，所以吊机重力的大小分别取了5吨和10吨进行研究，即1.8.3弯矩两类吊机重力在不同力臂情况下引起的弯矩说明如下，各个吊机重力情况下分别建了12个工况，共24个工况。在吊机重力为10吨时，为了找到最优弯矩大小和方向，选取了力臂分别为10米，15米，20米（一般工程实际中也会如此取力臂的值）引起的弯矩值，弯矩的矢量方向共4个，分别是沿x轴正向，沿x轴负向；沿y轴正向，沿y轴负向。共建12个工况如下表10所示。表10吊机为10吨情况下弯矩大小及方向力臂弯矩x正向弯矩x负向弯矩y正向弯矩y负向109.89.89.89.81511.711.711.711.72019.619.619.619.6在吊机重力为5吨时，为了找到最优弯矩大小和方向，选取了力臂分别为40米，45米，47米（40米正好是船宽的大小，所以研究此力臂值的工况下桁架结构的强度和刚度十分重要，但由于此时的应力结果有些接近其要满足的许用应力，所以接下来的力臂值取得相差不大，为了找到吊机重力为5吨的状态下，桁架结构所能承受的最大力臂，取了几个工况进行了计算，最终找到47米的最大力臂值）引起的弯矩值，弯矩方向共4个，分别是沿x轴正向，沿x轴负向；沿y轴正向，沿y轴负向。共建12个工况如下表11所示。表11吊机为5吨情况下弯矩大小及方向力臂弯矩x正向弯矩x负向弯矩y正向弯矩y负向4019.619.619.619.64522.0522.0522.0522.054723.0323.0323.0323.031.9船尾甲板荷载为了研究养殖工船模型船尾甲板结构的强度，在不同载荷大小的作用下，对养殖工船模型进行直接强度计算，得出相应梁的轴向应力，弯曲应力，板的vonMises应力以及板的形变，与其许用应力进行比较得出船尾结构所能承受的最大荷载，为解决工程实际问题提供参考。作用于甲板上的载荷（方向竖直向下，沿z轴负向）分别取载荷作用于船尾甲板中间的一个单位的4个节点（为什么不作用于一个节点是因为害怕中间甲板结构在一个集中力的作用下破环甚至断裂，且为了保证所施加的力等效作用于船尾甲板中部，载荷不能施加到太多节点上）处，如下图15所示。图15船尾荷载加载示意图1.10许用应力本船浮体采用普通钢（Mild）其材料换算系数K分别为1.0。船的桁架采用DH36高强度钢。考查应力为有限元分析中得到的平面单元（壳或膜）中心的vonMises相当应力。