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装置基座及加强结构的有限元分析

发布于:2018-04-20 19:26
有限元分析

       某型船的补给装置主要为其他船舶提供燃油、淡水、食品和弹药等物资的补给,补给方式多样,有纵向补给、横向补给和停泊补给等。在不同的海况的作业情况下,补给装置所引起的载荷各不相同。在放置状态时,船舶运动会使补给装置产生很大的惯性力。在作业状态时,补给装置不仅受到惯性载荷作用,而且受到作业载荷的作用,再加上装置本身的静载荷,这些载荷都可能造成补给装置基座及基座下部船体加强结构处的高应力,甚至可能会导致结构破坏,使补给船无法正常作业,丧失补给能力,造成补给任务失败,进而影响到整个编队任务的进展。因此,必须对补给装置基座及加强结构在工作状态和飞行放置状态进行有限元分析,并依据计算结果优化基座及加强结构,以保证基座及加强结构有足够的强度,确保补给装置正常作业。
       补给门架采用跨越船中线面的两立柱式门架。考虑到力的传递,门架立柱至少应有两层甲板作为支点,并与主船体主要结构有效连接,连接处的船体结构应加强。因此结合本船船体结构设计,立柱穿过甲板坐在甲板上,纵向设置内壁,并与甲板纵析对齐;横向一端侧壁尽量与主横隔壁对齐,中间设置数道强横梁与立柱连接。与立柱相连的纵壁适当加强,穿过处甲板和支撑甲板采用局部加厚嵌补板,甲板强横梁端部采用放大肘板与立柱横向围壁对接。与单个门架有明显相互作用的甲板是很小的局部区域。把一定甲板区域划分到强支撑构件上就己足够,但考虑到局部强度还要与总强度相叠加,而总强度是要把弯矩施加到纵跨几个舱室的舱段上,因此计算模型需要以总强度的合理施加为划分依据。本研究计算使用如图所示有限元模型。由于计算模型大小是按照总强度载荷要求确定的,相对于门架作用区域已足够大,只要模型边界条件无刚性位移,对门架作用区域影响都不大,因此模型边界条件可直接采用总体载荷工况所需的边界条件,并参考中国船级社CCS《钢质海船入级规范》中的附录《双壳油船结构强度直接计算》中的规定。
       本研究考虑到门架受力同起重设备有相似之处,故综合CCS《船舶与海上设施起重设备规范》和GJB4000-2000中的相关规定,对门架基座及加强结构进行计算分析。补给门架承受的外力如下:(1)补给装置额定工作负荷,包括高架索张力和牵索拉力;(2)高架索剪切销破断力;(3)附加在补给门架上其他起重设备工作时的额定负荷;(4)船在风浪中运动引起门架及其附属设备的惯性力。本研究中计算海况为5级,最大横摇角不大于50°。另外,CCS规范规定起重设备还受到风载荷的影响,因此认为门架也应该受到风载荷的作用,且风载荷计算公式也参考CCS规范进行。风压q=0.613V2Pa,(1)式中:V为风速;在9级海况下的遭遇风速为52m/s。将总纵弯矩施加在MPC独立点上,模型的惯性力以初始加速度的形式给出,牵索力直接以集中力的形式施加在门架相应的牵索作用处,如图所示。
       关于风载荷,将风压按照与船舶运动最危险的叠加方向施加在门架受风一侧,如左侧横摇运动,风向向左(加大左侧横摇),加载在门架所有能受到风吹的表面。在选择补给装置的计算工况时,除了考虑正常工作状态和危险工作状态两种情况以外还需考虑两侧是否同时工作,以及工作时主滑轮处于不同的高度位置和索道在工作时不同的位错角等工况。惯性力计算分三种情况:(y横摇运动:静横摇载荷+动横摇载荷+动垂荡载荷(横摇角甲时);(2)纵摇运动:静纵摇载荷+动纵摇载荷+动垂荡载荷(纵摇角必时);(3)组合运动:静合成力+0.8动纵摇+动横摇)。组合工况后,发现3个惯性力工况,与牵索力工况组合后将产生1000多个载荷工况。对每个工况都进行计算显然不现实,这就需要分析门架受力特点并挑选出最危险的工况进行计算。另外,必须考虑CCS规范中的补给装置极限搁置工况。经过有限元分析,门架基座及加强结构的应力最大,本研究仅选取9级极限海况下的局部强度分析以及总纵弯矩与部强度合成的强度分析


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