打桩船横向强度直接计算分析.docx

打桩船横向强度直接计算分析摘要：由于本船的宽深比大于现行规范所要求的数值，故应用有限元分析方法计算打桩船的横向强度。关键词：横向强度；有限元1引言船体结构抵抗横向变形活破坏的能力称为船体横向强度。船体在外力的作用下，除了发生总纵弯曲外，还有船宽方向的变形，这是由于水对船体外板的压力以及在甲板、船底内部设备的结果。本船是1993年在日本建造的宽深比大于3的箱型驳，根据现行规范1要求需应用直接计算法校核其横向强度。2船舶概述本船为为钢质、单底、单甲板、主船体纵骨架式结构、甲板室横骨架式结构非自航的砂桩致密打桩船，船头设有三连装的打桩设备,可同时进行打桩。本船可在沿海作业、无限航区调遣。适用于码头、桥梁、人工岛的水下基础工程建设。本船主要参数：3三维结构计算模型及边界条件3.1计算结构模型根据规范要求，为了较为准确计算分析船体的横向结构强度，取船中的一个典型舱段作为分析对象（见图1）,进行有限元横向强度直接计算分析。有限元计算分析程序采用国际大型通用有限元计算程序PATRAN进行。模型的前后端面取在横舱壁处（包括横舱壁），其纵向范围为FrlOFrl6,模型宽取整个船宽，模型高度取整个船的高度。计算结构模型的有限元网格沿船体纵向按肋板间距划分4等分，沿船体横向按纵骨间距划分3等分，沿船体高度也按纵骨间距划分。船体的各类板材如舱壁、船底板、舷侧外板、甲板板、实肋板腹板、桁材腹板、甲板强横梁腹板、强肋骨腹板采用四边形板单元模拟，面板、纵骨及扶强材按梁单元模拟。船体三维计算模型用板单元和梁单元两种，共有8828个单元，4296个节点。船体三维有限元模型示意图，见图2、图3。3.2模型坐标系船宽方向为X轴，正方向由船中指向左舷；型深方向为Y轴，正方向由船底指向甲板；船长方向为Z轴，正方向由船尾指向船首。3.3材料本船结构材料采用普通碳素钢，屈服强度为235MPa3.4边界条件在模型的首尾端面处的所有节点约束3个方向的线位移，即=0,y=0,z=0,见图4。4模型载荷按规范要求载荷作用如图5所示。舷外水压力载荷：在基线处：PB=IOd±1.5CkNm2在水线处：PW=±3CkNm2在舷侧顶端处：PS=3P0kNm2其中PO=C0.67(D-d)kNmm2由上图可见，舷外水压力载荷沿垂向呈线性分布，故施加在有限元模型上的载荷可使用场函数方法施加。施加函数为：舷外对称水压力:基线至水线0.030708-5.37714*0.000001*Z基线至舷侧顶端:P=O.019416-0.00000201*(Z-2100)舷外非对称水压力：右舷基线至水线0.030708-5.37714*0.000001*Z右舷基线至舷侧顶端：P=O.019416-0.00000201*(Z-2100)左舷基线以上：max(0,0.011292-1.46229*0.0000UZ)甲板均布水压力：Ps=O.015396Nmm2N0.3压载舱满载：1.025*0.000001*9.81*(4100-Z)本计算考虑工况如表1所列。5计算结果5.1强度衡准按照规范要求，板单元许用相当应力为170Nmm2,甲板梁腹板、船底肋板许用剪切应力为90Nmm2,横向桁架撑杆许用正应力为141Nmm2,其余为170Nmm2o5.2各个工况计算应力汇总在船中舱段中，由于舱段中间位置的强框架靠近舷侧位置为舱壁结构，故评估范围为中间强框架及其前后各取一强框架进行应力评估（表2）。由表2可见：板单元应力小于170Nmm2,甲板梁腹板、船底肋板的剪切应力小于90Nmm2,横向桁架撑杆正应力小于141Nmm2,其余为各构件应力值均小于170Nmm2o因此，本船横向强框架各项应力均满足规范要求。最大板单元应力云图，见图6。最大板单元剪切应力云图，见图7.5. 3屈服评估本计算对所选择强度评估强框架进行屈曲评估，经过计算，最小屈曲因子为1.05>l,发生在中间强框架实肋板上的肘板，故对此区域要仔细检测。屈服模式下的云图，见图8。屈服模式下的位移图，见图9。6结论本船横向强度满足规范要求和使用要求。但本计算只是满足规范要求进行的必要计算，对于其他一些工况没有考虑，如船舶在斜浪作用下弯扭组合的横向强度问题没有进行考虑等。参考文献1 .中国船级社，钢质海船入级与建造规范，2009