广船国际有限公司 511458
摘要:本文主要介绍钢质船舶主要构件开孔的几种补强形式,并运用有限元分析计算,论证几种补强形式的适用范围。
关键词:补强形式;适用范围;有限元计算
Forms of Opening Reinforcement in Steel Ship Structure
ZHONG Xiaoping
(Guangzhou Shipyard International Company Technique Center)
Abstract:This paper introduces some forms of Opening Reinforcement in Steel Ship Structure,and expounds the applicable situations by using finite element analysis.
Key words:Opening reinforcement;Applicable situations;Finite element analysis
1 前言
在船舶设计过程中,由于管路电缆布置或者结构减轻重量等原因,常常需要在船体主要构件上开设各种形式的孔。而船体构件主要承受来自板架的受力,内部应力分布对开孔的位置以及尺寸非常敏感,因此,在船舶设计中对构件开孔有着严格地限制和要求。在使用不符合规定的开孔时,必须对开孔予以补强。本文列举了目前船舶设计中常用的几种开孔补强形式以及适用范围,应用有限元软件对补强形式进行有限元分析,比较不同的补强形式在不同开孔范围内的应力情况,以此论证不同补强形式的最佳适用范围。
2 主要构件开孔补强形式
船体开孔原则要求主要构件开孔的高度不应超过腹板高度的25%(双壳体油船为20%),且孔的位置应使其边缘与面板之间的距离不小于腹板高度的40%。开孔的长度不应超过腹板的高度或次要构件间距的60%,取其中较大者[1],见图1;
H≥B≤0.6l D(D1)≤H/4 S≥0.4H
图1 主要构件开孔示意
当构件上的开孔不符合要求时,均应予以开孔补强,补强形式见表1。
3 开孔补强的受力分析
本文采用7.5万吨原油/成品油船机舱段主要构件进行受力分析,主要参数如下:腹板高度H为550mm,板厚为12mm,材质为A级钢;面板宽度为150mm,厚度为15mm,材质为A级钢;次要构件间距L为800mm;孔边加强扁铁宽75mm,厚度12mm,材质A级钢。IV型补强形式相当于增加腹板宽度已补偿开孔损失的宽度,因此本文不对IV加强进行强度计算,仅对前三种形式进行计算分析。假设3种开孔情况:(a)孔的高度、宽度超出允许范围,且宽度为高度的2倍以内,即开孔尺寸为300mmx500mm;(b)孔的高度、宽度超出允许范围,且宽度为高度的2倍以上,即开孔尺寸为170mmx400mm;(c)孔的高度、宽度超出允许范围,且宽度为高度的2倍以上,即开孔尺寸为200mmx500mm。
3.1 强度直接计算
采用有限元通用软件MSC.Patran对前三种补强形式进行建模加载和计算分析:
(1)单元类型:腹板和构件面板采用板单元;开孔面板和加强扁铁采用杆单元;网格大小按50mmX50mm划分[2];
(2)材料:A级钢,弹性模量206000MPa、泊松比0.3、密度7.85x10-9t/mm3、屈服强度235MPa;
(3)边界条件:腹板和构件面板两自由端采用铰接;
(4)载荷加载:在腹板面单元的边界处施加200N/mm的线载荷
模型、边界条件、载荷加载及应力分布见表2。
3.2计算结果分析
(1)选用开孔尺寸为300mmx500mm,即孔的高度、宽度超出允许范围,且宽度为高度的2倍以内时,从表1中可看出,I型和III型补强均能得到较好的应力补偿,但从材料成本的角度来看,III型的开孔区域将使用加厚板,材料以及加工成本更大。因此,在均能较好满足应力补偿时,优先选用I型补强形式。
(2)选用开孔尺寸为170mmx400mm,即孔的高度、宽度超出允许范围,且宽度为高度的2倍以上时,从表1中可看出,开孔后构件内部应力增加并不是很大,此时选用加强材料使用最少,施工最方便的II型补强形式即可。
(3)选用开孔尺寸为200mmx500mm,即孔的高度、宽度超出允许范围,且宽度为高度的2倍以上时,从表1中数据可看出构件应力对开孔尺寸的变化非常敏感,此时应选用能最大程度对损失应力进行补偿的III型补偿形式,以确保构件的安全可靠。
4 结论
通过以上的分析,对目前常用的三种补强形式的适用范围进行了初步的论证,结果证明了三种补强形式在各自适用范围内的可行性。但这仅是相对理想化的分析,实际情况下的开孔形式以及受力情况可能更加复杂,开孔补强形式也会更多样化,需要设计人员再根据复杂情况进行综合考虑,从而确定安全可靠的开孔补强形式。
参考文献:
[1]广船国际.船体生产设计手册(上)[S].2016.
[2]中国船级社.钢质海船入级规范[S].北京:人民交通出版社,2012.
论文作者:钟小平
论文发表刊物:《防护工程》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/17
标签:开孔论文; 构件论文; 补强论文; 形式论文; 宽度论文; 腹板论文; 高度论文; 《防护工程》2017年第16期论文;