打桩船横向强度直接计算分析

打桩船横向强度直接计算分析
作者：梁见熙
来源：《广东造船》2012年第05期
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Fr10 ～ Fr16，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8 828个单元，4 296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235Mpa
3.4 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δx=0，δy=0 ，δz=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 = 10d ±1.5C kN/m2
在水线处： Pw = ±3C kN/m2
在舷侧顶端处： Ps= 3P0 kN/m2
其中P0 = C–0.67（D-d） kN/mm2
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=0.019416-0.00000201*（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=0.019416-0.00000201* （Z-2100）
左舷基线以上：max（0，0.011292-1.46229* 0.00001*Z）
甲板均布水压力：Ps=0.015396N/mm2
NO.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170N/mm2，甲板梁腹板、船底肋板许用剪切应力为90N/mm2，横向桁架撑杆许用正应力为141N/mm2，其余为170N/mm2。

5.2 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170 N/mm2，甲板梁腹板、船底肋板的剪切应力小于90
N/mm2，横向桁架撑杆正应力小于141 N/mm2，其余为各构件应力值均小于170 N/mm2。

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>1，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。