极地运输船坐墩有限元计算研究范文

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摘要：本文以极地模块运输船为例，简单介绍了一种使用有限元软件进行坐墩计算的方法和过程，解决了艏艉布墩困难的问题，并对优化措施进行简单分析。

关键词：极地船；坞墩；载荷；有限元

前言

公司建造的极地模块甲板运输船，空船重量约两万六千吨，能在1.5米厚的冰区以2节的航速连续破冰航行，因此船艏部设计成大角度外飘形式。艏部（肋位FR225以前）重量约3800吨，但平底区面积不足23平方米，集中在艏部最后端的侧推突出体下方，其中还包含有大接缝、分舱标志等布墩应避开的区域，船体外板距基线的高度在2.1米以上，而且与水平面夹角较大，艉部也存在类似情况，因此本船坞墩布置非常困难。

1常规坐墩计算方法及缺点

目前布墩设计时使用的坞墩载荷计算方法：根据船舶下水重量及其分布曲线，得出船舶单位长度的线载荷，然后换算成坞墩载荷。缺乏上述资料时，下水重量按空船重量的一定比例选取，纵向按区域设置不均匀系数，在机舱段取1.8-2.2，平行中体取1，首部取0.85。坞墩又分为中龙墩和边墩，按首中尾分别给予固定的载荷分配比例（放有一定余量）。这样的计算方法虽然简单方便，但这些参数是基于常规船型的实际经验，对于常规船型一般可以满足要求，对于一些特种船可能误差很大。特别是首尾线型比较独特的，比如半潜船、极地模块运输船、高速船等，实际的重量纵向不均匀系数很有可能超过了可选取范围，其可布墩范围往往也难以满足常规要求，中龙墩和边墩的固定比例载荷分配过于僵化，且只能用来简单评估坞墩和坞底的受力情况，艏艉端部坞墩载荷误差大，因此原方法不具参考意义，难以评估坞墩及船体结构是否安全，存在安全隐患，容易导致事故发生。

2解决方法

按照目前造船行业的生产模式，若不能及时有效地解决此类问题，必然影响建造周期，甚至破坏整个工厂的生产计划，很可能造成很大的连带损失。要解决这一问题，可采用有限元计算方法对极地模块运输船坐墩时可能的危险工况进行模拟计算，然后分析结果，结合实际情况制定有效措施来化解。

3坐墩有限元计算方法

3.1船体结构的有限元模拟全船建模，使用板梁复合模型。所有的大板包括外板、内底、上甲板、内甲板、内部平台、纵横舱壁、强框架腹板等用板壳单元模拟，尺寸较小的结构和开孔可以忽略或简化处理，上建等不影响船体梁特性且不会出现高应力的结构也可忽略或简化处理。所有的骨材、加强筋、小支柱以及主要支撑构件面板等型材用梁单元模拟，梁单元根据实际情况进行偏心处理。全船采用粗网格形式，但局部可能出现高应力区应该进行网格细化，才能得到准确的应力分布情况，便于结构强度的评估。模型应根据实际需要进行分组，以方便后续工作（赋属性、加载荷/边界条件、查看结果、修改模型等）为原则。网格模型建好后应该进行一次检查，看模型是否有错漏，单元是否有重叠、畸形等，相连板之间的网格匹配和粗细过渡等是否合适等。检查后便可进行赋属性的工作，新造船坐墩计算不同于规范计算，可以认为结构腐蚀尚未发生，所有板厚及型材尺寸应使用建造尺寸。

3.2模型重量分布与实船匹配的方法所有单元被赋予属性之后，模型便有了自身的质量。由于模型是实际结构的简化模拟，大量肘板、补板、小开孔等小尺寸构件被忽略，上建、甲板室等结构也未建模，使得结构方面的重量重心与实船存在一定的误差，而舾装部分也无法按实际情况建模，将导致更大的总误差。大结构未建模部分可用质量块模拟，比如上建可根据其实际总的重量（包含上建舾装）重心，创建一定数量的质量单元，分布在上建与主船体相连接的位置处，这需要根据具体结构形式来判断主要的载荷传递路径，传力多的地方多布，传力少的少布或不布，质量单元的总重量重心（高度方向不考虑）应与实际情况基本吻合。大的舾装件，比如主机、发电机、锅炉、推进轴、螺旋桨、舵、轴毂、锚等也可用质量单元来模拟，在其实际位置，视其具体尺寸和重量设置一个到多个质量单元。被忽略的小结构、油漆及广泛分布的一些舾装件（管系、电缆等）可使用均摊方式，均匀地附加到已建模的所有结构当中去，这可以通过调整材料密度来实现。具体可采用以下方法：沿船长方向将船划分成若干段，首尾外飘部分各分一个段，中间部分的可以划分得长些，首尾其它区域应尽量划分得短些，然后读取各区域模型的重量重心数据，对比实际统计出来的重量重心，选取其中误差最小的一个段（模型都会小于实际，由于舾装布置特点及模型简化，各区域误差会不同）作为基础来最先调整。调整密度可以改变重量，并不能调整重心，因此调整重心需要创建质量单元来实现，质量单元会同时影响重量和重心，和密度的调整要协调起来，最终达到重量重心都吻合的目的。质量块的创建是将比较分散的重量集中化，因此应尽量少创建，为了减少对结构应力的影响，应尽量设在纵舱壁一类结构上且远离底部的位置。单个质量块的重量可根据实际情况来定，单个较重，一般调整就较简单，但误差就会稍大，反之亦然。密度调整后，其它区域的重量均会有变化，再根据其新的重量重心偏差值，分别在合适的位置创建质量单元来调整到实际值。通过以上方法，分段调整、逼近实船的重量分布曲线，理论上分得越多越精确。通常首尾端部的坞墩载荷较大，是重点关注位置。首尾外飘部分的重量产生的力矩对端部坞墩载荷影响非常大，因此最好将外飘部分作为一个段来调整，中体部分重量较均匀，坞墩相对可能较多，载荷和应力往往都比较小，所以段可以划分得长一些，其它位置则可以划短些。本船划分成7个区域段来调整，调完以后的模型与实船在重量分布和坐墩强度上都达到基本一致。

3.3坞墩和垫木的模拟常规坞墩及垫木的规格尺寸是统一的，所有的坞墩及垫木组成一个支撑系统，支撑起整条船。因此每个墩可以简化为一个弹簧，弹簧的下端与坞底连接，上端与船底连接，在模型中使用弹簧单元来模拟，见图1，弹簧单元的长度取墩的总高度约1.76米。由于水泥墩刚度很大，几乎没有弹性，所以弹簧系数（刚度）主要依据垫木的参数来计算。垫木的刚度与其水平截面积、杨氏模量成正比，与高度成反比。实际上船底与墩之间为接触面，只能传递压力，而不可能有拉力。但有限元计算时，如果船体梁中拱较大就可能在船中某些位置出现拉力，事实上所在位置已经与坞墩脱离接触。这需要根据计算结果去人工修改模型，放开（或删掉）出现拉应力的弹簧再计算，再看结果，再放开有拉应力的弹簧，再计算，直到不再有弹簧出现拉应力。通过多次迭代计算来逼近真实状态，一般2-3次即能满足需要。如果软件可以处理接触非线性，那就不必进行迭代计算。

3.4载荷及边界条件的施加方法船在坞内建造时，到了出坞前夕，将拆除所有高架撑、补涂外板油漆。此时船的重量达到最大，但支撑数量反而有所减少，且高架撑一般都布置在艏艉线型收缩处，拆除后，艏艉有效支撑点大幅减少，坞墩受力状态急剧恶化，当空船纵倾较大时，还需要进行压载配平，这就又增加了重量，此时风险最大，所以对此进行重点分析。极地模块运输船空船出坞时，重量约25950吨，首倾约1.35米。平浮出坞时，需要在靠近尾部的舱室内加1740吨压载水。本文分别对此进行计算，设为工况1和工况2。在这两个工况中，载荷都只有重力，可通过施加重力加速度来实现。坞底为混凝土结构，刚度非常大，因此可在坞墩（弹簧）的下端施加边界条件，约束掉三个方向的平动自由，不约束转动。此时计算模型已处于自由动态平衡状态，为消除刚体位移，还需要增加一些额外的约束才能计算，否则计算无法收敛。可以如下设置：将船舯甲板边缘处左右两个节点约束住X向（船体坐标系）位移，中纵舱壁与甲板相交处挑数个节点约束住Y向位移，其余不约束。这样既能满足计算的需要又能将不利影响降到最低。

3.5计算结果经计算发现，两个工况下艏部和艉部均有一定数量的坞墩载荷超出了设计安全载荷（200吨），见图2，而船体结构本身的应力水平都在安全范围内，这是因为本船由于破冰用途而大量采用高强钢厚板。图2艉部右侧部分坞墩载荷(单位:吨)

4优化加强措施

艉部共有8个坞墩载荷超标，要解决这个问题，常规主要有2类办法，一种是增加坞墩数量，另一种是提高坞墩承压能力，都简单而有效。结合本船实际，艉部只有轴管下能布墩，宽度方向只能布一个，线型已往上收，坞墩又必须布在强结墩，势必增加坞墩高度，过高的垫木风险加大，个别坞墩显著高出其它坞墩对出坞也不利（本船是艉部先出坞）。而另一种方法就好的多了，只需将常规坞墩换成设计载荷350吨的修船墩即可。还有一种转移载荷的方法，主要原理为降低高载荷区坞墩的刚度，然后通过船体梁自身的变形协调将部分载荷转移到附近其它坞墩上去，此方法计算量较大，对相关工艺控制要求较高。如果以上办法都解决不了问题，还可以减少相应位置的结构或设备的重量，这种措施劣势很明显，直接导致完整性下降，原本可在坞内做的大量工作只能放到码头去做，对轴系望光也有不利影响（艉部采用时）。艏部的坞墩集中布置在侧推突出结构下，坞墩受力状态比艉部更加恶劣，情况更复杂。艏部坞墩布置已经非常密集了，除侧推突出结构以外，外板距基线都非常高，如果使用常规坞墩已经没有任何位置可以增加了。前方艏柱与水平面夹角较小，结构强度大，可以考虑在下方增加支撑，但不能使用常见的高架撑（本船外板油漆特殊，下水后不能再补涂），因此可设计一个专用的支撑桁架，通过垫木与艏柱接触，安全而有效。或者将现有普通坞墩更换为特殊支撑，换用横梁钢墩系统，见图3，由于钢墩承压能力较大（300吨），又能增加一定数量的支撑，也能在一定程度上缓解单个坞墩载荷过大的现象，但改善空间较少，耗材较多，工艺控制较难。图3艏部优化方案二--横梁钢墩系统

5措施验证

艉部解决方案为更换承载能力更强的坞墩，更换坞墩后，问题顺利解决。艏部的第一个优化方案非常有效，而且可以根据实际需要来调整桁架的规格，可以获得不同承压能力，安全系数容易控制。但对出坞方式有一定限制，只能是尾部先出坞，由于是根据线型特制的，只能用于同一船型，重复利用率较低。假设艏部先出坞时，也同样适用于尾部。第二个优化方案也能解决问题，但裕度不足，风险较大，需要补充一些优化措施。由于使用的工装件是现有的或是标准化的常用品，下次有需要时，可以根据实际情况再进行组装布置，重复利用率较高，适用范围大。极地模块运输船艏部坐墩方案采用了第二个方案，目前1#船和2#船均已顺利出坞，说明了这一整套的计算方法和解决措施是有效的。

6结束语

根据本文所述方法，可以获得任意船舶坐墩时坞墩载荷的分布情况，既能发现所有可能的危险因素，对其进行针对性处理，消除隐患，防止事故发生，又能避免无谓的加强，减少相应工装的使用量，既节约成本，又可缩短工期。

参考文献

[1]黄浩主编.船体工艺手册（第3版）.北京:国防工业出版社,2013.

[2]干船坞设计规范CB/T8524-2011

[3]船舶进出干船坞技术要求CB/T3677-2015

作者：王亮 单位：广船国际技术中心