CN103661806A - 一种船台下水船舶底部结构局部强度的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船台下水船舶底部结构局部强度的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步将船舶整体结构简化成一根沿船长方向的变截面薄壁梁，并在支墩位置受垂向弹性支撑；在船台下滑过程中选取一系列滑行位置为工况，获取各支墩处船体结构承受的支墩支反力值，确定结构各受力极值位置；第二步对受力极值位置处结构进行局部三维有限元模型强度分析，确定各区域的结构强度。本发明采用整体船体梁计算结合局部三维有限元模型分析方法，较现有技术的全船三维结构有限元建模分析方法大大减少了建模工作量，节省计算时间，加快分析进度。

Description

一种船台下水船舶底部结构局部强度的确定方法

技术领域

本发明涉及船舶设计阶段船舶从船台上下水时局部强度的确定，更具体地说，涉及船舶底部结构局部强度的确定。

背景技术

船舶滑道下水时，底部结构常发生损伤。如果提前进行底部结构局部强度分析，发现强度不足区域，就能在下水前对该处做结构加强，或采用其它方法避免下水过程中底部结构损伤。若采用船舶整体结构三维有限元建模方法分析底部结构局部强度，虽然精确度高，但模型建模工作量巨大，所用时间长，该方法在实际船舶建造时难以采用。现实采用理论力学方法可进行下水过程船舶总体强度计算，算出下水过程中船体各横截面处所受的弯矩及剪力值，与许用值作比较，预报总体强度是否满足要求。但不能计算出底部支墩处受力状况，不适应底部结构局部强度分析的要求。

此外，现有技术中，倾斜混凝土船台上铺设钢木滑道。船体由底部支墩支撑在滑道上。下滑开始后，支墩随船体一同沿滑道向水下滑动。船舶通常艉部向前先入水。入水后支墩沿滑道滑行一段距离后脱离，失去对船体的支撑作用。假设沿船长方向各排支墩从入水到脱离的滑行距离均相同。船体结构受结构自身和设备重量产生的重力，水的浮力，及下部支墩反力共同作用。初始阶段对船艏重力力距大于浮力力距，靠近艉部及机舱区域由于部分支墩脱离的原因，该区域存留在船台上的船体底部支墩承压大，该处支墩反力大，会出现底部结构应力极值区域，结构容易受损。后期随船体入水体积加大，浮力力距大于重力力距。船舶会绕船艏支架转动，船舶重量仅靠艏支架支撑。该处结构受力大，也容易损坏。

船舶下水是个动态的过程，现有技术采用整体三维有限元建模分析或船体梁计算均采用多位置静态计算方法模拟动态下水分析过程。既从船体入水至全浮状态依次选取一系列船舶在滑道上不同滑行位置，假设船舶在各位置静止在船台上，分别做静态计算分析，每个位置为一个计算工况，以此模拟替代动态下水分析，忽略水阻力及滑道摩擦力的影响。

发明内容

本发明拟研发新方法，用于船台下水船舶底部结构局部强度的确定，用该方法得到的结果，精确度能满足下水过程底部结构局部分析的要求，同时能大大减少有限元建模工作量，缩短现有技术本项工作的时间，提高效率。

为了达到上述目的，本发明提供一种船台下水船舶底部结构局部强度的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步将船舶整体结构简化成一根沿船长方向的变截面薄壁梁，并在支墩位置受垂向弹性支撑；

在船台下滑过程中选取一系列滑行位置为工况，获取各支墩处船体结构承受的支墩支反力值，确定结构各受力极值位置；

第二步对受力极值位置处结构进行局部三维有限元模型强度分析，确定各区域的结构强度。

其中，步骤一的具体过程为：

S11）根据除船舶尾部区域外各支墩沿船长方向等间距设置的条件，从艏至艉沿船长方向分别取每两个支墩之间的一段船体结构，将每一段船体结构近似为从前到后剖面特性相同的平直结构；计算出各段船体结构剖面特性，包括：横截面面积、垂向惯性矩、水平方向惯性矩、垂向剪切强度、、剖面高度、、剖面宽度及中和轴位置；

依据各段船体结构剖面特性，建立整体船体梁模型；模型由若干段梁单元组成，每段梁单元代表两个支墩之间的一段船体结构；梁单元属性根据前面计算的各段船体结构剖面特性确定；各梁单元沿船长方向首尾相互连接，连接节点在各支墩位置；

S12）计算支墩处弹性刚度：根据船体结构及支墩均左右对称的情况，将船体结构简化为单根薄壁梁，支墩处刚度由船体结构刚度K2串联支墩刚度K1组成；根据公式K1=EA/L计算底部支墩刚度，其中，K1为支墩刚度，E为松木材性系数，A为支墩横截面积，L为支墩高度；

在船体结构三维有限元模型底部支墩位置施加单位点载荷，读取各处变形值，计算底部结构刚度K2；建立艏部支架区域结构的有限元模型；刚度K2=P/dy,P为单位点载荷值，dy为局部有限元模型上读取的该处结构变形值；用公式1/K=1/K1+1/K2合并支墩和结构刚度，求出刚度K用作底部支墩处支撑刚度；

建模时采用固定长度梁单元模拟支墩处支撑条件，梁单元垂直船台基面，上部与船体梁单元模型节点连接，下部刚固；根据求得的刚度K计算各梁单元截面积，即A=KL/E，E为钢材材性系数；根据各截面积A确定模拟支墩处支撑条件的各垂向梁单元的横截面积。

S13）统计得到船舶结构和设备重量沿船长方向的分布；将其按节点间距汇总转化成节点力，从艏到艉施加在船体梁模型各节点上；从船体入水到全浮，选取下滑过程中一系列滑行位置（见S14描述），每个滑行位置为一个计算工况，分别计算各工况浮力载荷，包括浮力值和浮心位置；

S14）采用多位置静态计算方法模拟动态下水分析；支墩反力极值通常出现在横舱壁或底部肋板等船体强结构位置，依次选择一系列这样的滑行位置，从船首到船尾依次考查每个横舱壁或肋板处底部结构受力状况；既横舱壁或肋板下支墩及其后部支墩尚存，仍起支撑作用，而该处向前区域支墩均脱离滑道失去对船体支撑作用。每一个滑行位置作为一个计算工况，按各计算工况，分别在船体梁模型上施加重力载荷，浮力载荷，并根据各工况所处的滑行位置及支墩脱离状况确定支墩支撑条件。分工况获得底部结构支墩处支反力值，找出各结构受力极值区域。

步骤二的具体过程为：

S21）在各结构受力极值区域建立局部三维有限元模型；用新建立的模型重新计算支墩位置结构刚度，采用新刚度重新做全船船体梁分析；重新获得底部结构支墩处支反力值；

S22）在局部模型底部支墩位置施加支墩反力进行模型计算；算出结构应力分布情况。

最后，可根据步骤S22算出的情况，确定强度不足区域。

本发明收集现有的各种计算方法，研究掌握其优缺点。确定采用船体梁计算结合局部三维有限元模型分析的计算方法。既先采用支墩处弹性支撑船体梁进行下水全过程计算，找出底部各受力极值区域位置及受力值。在各极值区域位置建立局部三维有限元模型，施加船体梁计算得到的受力值，计算出底部结构应力分布。经应用本发明方法，进行本公司建造的8.1万吨散货船船台下水过程底部局部强度分析，验证本方法的正确性。

本发明采用整体船体梁计算结合局部三维有限元模型分析方法比全船三维结构有限元建模分析方法大大减少了建模工作量，节省计算时间，加快分析进度。采用本方法进行公司8.1万散货船船台下水底部局部强度计算。证明在满足计算精度要求前提下，该方法可提前计算出下水过程中底部结构应力分布，便于实际船舶下水计算采用。

具体实施方式

本计算方法采用多位置静态计算方法模拟动态下水分析。共分为两个步骤。第一步将船舶整体结构简化成一根沿船长方向的变截面薄壁梁，并在支墩位置受垂向弹性支撑。在船台下滑过程中选取一系列滑行位置为计算工况。计算出各支墩处船体结构承受的支墩支反力值。找出结构各受力极值位置。第二步对受力极值位置处结构进行局部三维有限元模型强度分析，发现结构强度不足区域。详细过程如下：

（一）.全船船体梁受力分析

1.船舶由支墩支撑在船台上，除尾部区域外通常各支墩沿船长方向等间距设置。从艏至艉沿船长方向分别取每两个支墩之间的一段船体结构，将每一段船体结构近似简化为从前到后剖面特性相同的平直结构。计算出各段船体结构剖面特性，包括：横截面面积，垂向惯性矩，水平方向惯性矩，垂向剪切强度。各剖面高度，各剖面宽度及中和轴位置。依据各段船体结构剖面特性，建立整体船体梁变截面薄壁梁简化模型。模型由若干段梁单元组成，每段梁单元代表两个支墩之间的一段船体结构。梁单元属性根据前面计算的各段船体结构剖面特性确定。各梁单元沿船长方向首尾相互连接，连接节点在各支墩位置。

2.船体在底部受支墩支撑，需要计算支墩处弹性刚度。由于船体结构及支墩均左右对称，船体结构又被简化为单根薄壁梁，可将左右支墩刚度合并计算。支墩处刚度由船体结构刚度K2串联支墩刚度K1组成。船体通过支墩支撑在钢木滑道上，由于混凝土船台和钢木滑道刚度远大于支墩垫木刚度，所以取支墩垫木刚度做支墩刚度计算。根据公式K1=EA/L计算底部支墩刚度。K1为支墩刚度，E为松木材性系数，A为支墩横截面积，L为支墩高度。在船体结构三维有限元模型底部支墩位置施加单位点载荷，读取各处变形值，计算底部结构刚度K2。货舱大部分区域船体结构三维有限元模型可通过船舶设计时舱段分析阶段建立的粗网格模型，稍加修改获得。根据经验靠艏部支架区域为结构应力极值位置，提前建立该处底部局部结构有限元模型。刚度K2=P/dy,P为单位点载荷值，dy为局部有限元模型上读取的该处结构变形值。用公式1/K=1/K1+1/K2合并支墩和结构刚度，求出刚度K用作底部支墩处支撑刚度。建模时采用固定长度梁单元模拟支墩处支撑条件。梁单元垂直船台基面，上部与船体梁单元模型节点连接，下部刚固。根据求得的刚度K计算各梁单元截面积，即A=KL/E，E为钢材材性系数。

3.统计得到船舶结构和设备重量沿船长方向的分布。将其按节点间距汇总转化成节点力，从艏到艉施加在船体梁模型各节点上。采用总体专业计算软件，从船体入水到全浮，分别计算各工况浮力载荷，包括浮力值和浮心位置。

4.采用多位置静态计算方法模拟动态下水分析。在船台下滑过程中选取一系列滑行位置为计算工况。按各计算工况，分别在船体梁模型上施加重力载荷，浮力载荷，并根据各工况所处的滑行位置及支墩脱离状况确定支墩支撑条件。分工况计算出底部结构支墩处支反力值，找出各结构受力极值区域。

（二）.局部结构强度计算

1.在各结构受力极值区域建立局部三维有限元模型。用新建立的模型重新计算支墩位置结构刚度，采用新刚度重新做全船船体梁分析。重新计算出底部结构支墩处支反力值。

2.在局部模型底部支墩位置施加支墩反力进行模型计算。算出结构应力分布情况。找出强度不足区域。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种船台下水船舶底部结构局部强度的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步将船舶整体结构简化成一根沿船长方向的变截面薄壁梁，并在支墩位置受垂向弹性支撑；

在船台下滑过程中选取一系列滑行位置为工况，获取各支墩处船体结构承受的支墩支反力值，确定结构各受力极值位置；

第二步对受力极值位置处结构进行局部三维有限元模型强度分析，确定各区域的结构强度。

2.根据权利要求1所述船台下水船舶底部结构局部强度的确定方法，其特征在于，步骤一的具体过程为：

S11）根据除船舶尾部区域外各支墩沿船长方向等间距设置的条件，从艏至艉沿船长方向分别取每两个支墩之间的一段船体结构，将每一段船体结构近似为从前到后剖面特性相同的平直结构；计算出各段船体结构剖面特性，包括：横截面面积、垂向惯性矩、水平方向惯性矩、垂向剪切强度、、剖面高度、、剖面宽度及中和轴位置；

依据各段船体结构剖面特性，建立整体船体梁模型；模型由若干段梁单元组成，每段梁单元代表两个支墩之间的一段船体结构；梁单元属性根据前面计算的各段船体结构剖面特性确定；各梁单元沿船长方向首尾相互连接，连接节点在各支墩位置；

S12）计算支墩处弹性刚度：根据船体结构及支墩均左右对称的情况，将船体结构简化为单根薄壁梁，支墩处刚度由船体结构刚度K2串联支墩刚度K1组成；根据公式K1=EA/L计算底部支墩刚度，其中，K1为支墩刚度，E为松木材性系数，A为支墩横截面积，L为支墩高度；

在船体结构三维有限元模型底部支墩位置施加单位点载荷，读取各处变形值，计算底部结构刚度K2；建立艏部支架区域结构的有限元模型；刚度K2=P/dy,P为单位点载荷值，dy为局部有限元模型上读取的该处结构变形值；用公式1/K=1/K1+1/K2合并支墩和结构刚度，求出刚度K用作底部支墩处支撑刚度；

建模时采用固定长度梁单元模拟支墩处支撑条件，梁单元垂直船台基面，上部与船体梁单元模型节点连接，下部刚固；根据求得的刚度K计算各梁单元截面积，即A=KL/E，E为钢材材性系数；根据各截面积A确定模拟支墩处支撑条件的各垂向梁单元的横截面积。

S13）统计得到船舶结构和设备重量沿船长方向的分布；将其按节点间距汇总转化成节点力，从艏到艉施加在船体梁模型各节点上；从船体入水到全浮，选取下滑过程中一系列滑行位置（见S14描述），每个滑行位置为一个计算工况，分别计算各工况浮力载荷，包括浮力值和浮心位置；

S14）采用多位置静态计算方法模拟动态下水分析；支墩反力极值通常出现在横舱壁或底部肋板等船体强结构位置，依次选择一系列这样的滑行位置，从船首到船尾依次考查每个横舱壁或肋板处底部结构受力状况；既横舱壁或肋板下支墩及其后部支墩尚存，仍起支撑作用，而该处向前区域支墩均脱离滑道失去对船体支撑作用。每一个滑行位置作为一个计算工况，按各计算工况，分别在船体梁模型上施加重力载荷，浮力载荷，并根据各工况所处的滑行位置及支墩脱离状况确定支墩支撑条件。分工况获得底部结构支墩处支反力值，找出各结构受力极值区域。

3.根据权利要求1所述船台下水船舶底部结构局部强度的确定方法，其特征在于，步骤二的具体过程为：

S21）在各结构受力极值区域建立局部三维有限元模型；用新建立的模型重新计算支墩位置结构刚度，采用新刚度重新做全船船体梁分析；重新获得底部结构支墩处支反力值；

S22）在局部模型底部支墩位置施加支墩反力进行模型计算；算出结构应力分布情况。

4.根据权利要求3所述船台下水船舶底部结构局部强度的确定方法，其特征在于，根据步骤S22算出的情况，确定强度不足区域。