CN111177865B - 一种舰船上方舱舱体的结构计算系统及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种舰船上方舱舱体的结构计算系统及设计方法，依据方舱的装载要求确定方舱外形尺寸和设计载重，并确定方舱的主要结构部件的组成；构建舰船上的方舱模型；确认方舱模型的主要结构；依据方舱模型各部位的结构型式结合力学原理构建方舱体结构计算系统，本发明构建了方舱模型和方舱体结构计算系统，并采用简化梁的计算方法，校核确定方舱主要构件尺寸，为方舱的主要结构的形状及具体尺寸提供了更准确的参考数据。将方舱视为舰船上层建筑，采用简化梁计算方法更方便准确的得出方舱的各种主要承力部件的尺寸，选用合适的材料，在此基础上设计的方舱在船舶运动环境下，能够确保方舱结构的稳固性和运输的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及舰船方舱结构领域，尤其涉及一种舰船上方舱舱体的计算系统及结构设计方法。
背景技术
舰船用方舱类似于集装箱，根据需求不同，装载不同的设备及装置，形成各种不同功能的功能模块。在舰船预留加装专项任务方舱的空间、接口等。当执行应急任务时，选择所需功能的功能模块，加装于水面舰船，能使其在较短时间内具备执行任务能力。舰载方舱的使用在拓展现有舰船功能的同时，也可增强舰船应急任务的快速反应能力，从而提升舰船装备执行任务综合效能。
当前舰船用方舱主要采用标准集装箱改装方式，当搭载方舱的平台干舷较低，且需靠舷侧安装时，方舱需承受更大的上浪砰击载荷。而标准集装箱一般四周围壁较薄，结构较弱，在恶劣海况下，箱体四周侧壁易产生严重变形甚至损坏。另外，普通标准集装箱的载重有限，搭载方舱因其功能需要，可能需装载更重的设备，普通集装箱的设计载重无法满足使用需求。目前，国内外针对方舱的标准规范多为通用性规定或者仅针对车载方舱，且未明确具体的结构设计方法。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种舰船上方舱舱体的结构计算系统及设计方法，解决以上技术问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种舰船上方舱舱体的结构计算系统，包括步骤：
S100、依据方舱装载要求确定方舱的外形尺寸和设计载重；
S200、构建舰船上的方舱模型；
S300、确认方舱模型的主要结构；
S400、依据方舱模型各主要结构的结构型式结合力学原理构建方舱体结构计算系统。
优选地，所述方舱模型的主要结构包括
若干顶端梁和若干顶侧梁，位于所述方舱模型的顶端，所述顶端梁与所述顶侧梁垂直连接；
一顶板，与所述顶端梁和所述顶侧梁连接；
若干底端梁和若干底侧梁，位于所述方舱模型的底端，所述底端梁与所述底侧梁垂直连接；
一底板，固定在若干所述底端梁和若干所述底侧梁组成的空间内；
若干立柱，连接于所述顶梁和所述底梁之间；
若干侧壁和若干端壁，所述侧壁固定于所述立柱、所述顶侧梁和所述底侧梁组成的空间内，所述端壁固定在所述立柱、所述顶端梁和所述底端梁组成的空间内。
优选地，所述构成型材包括方钢和工字钢，所述顶端梁、所述顶侧梁和所述立柱均采用所述方钢，所述底端梁和所述底侧梁均采用所述工字钢。
优选地，所述顶端梁、所述顶侧梁、所述立柱三者两两之间均通过焊接连接，所述底端梁、所述底侧梁、所述立柱三者之间两两之间也通过焊接连接。
优选地，所述侧壁、所述端壁和所述顶板均为波纹板，所述底板为加筋板。
依据上述的舰船上方舱舱体的结构计算系统，本发明还提供了一种舰船上方舱舱体的结构设计方法，包括步骤：
S500、依据所述方舱体结构计算系统构建所述顶侧梁简化计算模型；
S600、依据所述方舱体结构计算系统构建所述立柱简化计算模型；
S700、依据所述方舱体结构计算系统构建所述底侧梁简化计算模型；S800、依据所述方舱体结构计算系统构建两端自由支持并承受载荷的所述波纹板单跨梁模型；
S900、综合所述顶侧梁简化计算模型、所述立柱简化计算模型、所述底侧梁简化计算模型和所述波纹板单跨梁模型，得出方舱体计算模型。
优选地，所述顶端梁和所述顶侧梁尺寸相同，所述顶端梁和所述顶侧梁的两端均承受弯矩，所述顶侧梁的弯矩的计算公式为：
式中，M1为顶侧梁或顶端梁的弯矩，T为方舱设计载重与方舱自重之和，L1为顶侧梁的长度，g为重力加速度；
所述顶端梁和所述顶侧梁的梁上均承受均布载荷，所述顶侧梁的均布载荷的计算公式为：
式中，q1为顶侧梁或顶端梁的均布载荷，Q1为顶板受到的均布载荷。
优选地，所述立柱的一端承受弯矩，所述立柱的弯矩计算公式为：
式中，M2为立柱的弯矩，T为方舱设计载重与方舱自重之和，L2为底侧梁的长度，g为重力加速度；
所述立柱承受的均布载荷计算公式为：
式中，q2为立柱的均布载荷，Q2为侧壁受到的均布载荷。
优选地，所述底端梁和所述底侧梁的尺寸相同，所述底侧梁上承受的均布载荷公式为：
式中，q3为底侧梁或底端梁的均布载荷，R为方舱设计载重，L3为底侧梁的长度，g为重力加速度，aV为极限海况下方舱安装位置处船舶运动垂向加速度。
优选地，所述波纹板的其中一个波纹宽度的剖面模数和惯性矩的计算公式分别为：
式中，W为波纹板的剖面模数，I为波纹板的惯性矩，a为波纹平面部分宽度，b为波纹斜面部分宽度，dw为波纹深度。
有益效果：本发明构建了方舱模型和方舱体的结构计算系统，并采用简化梁的计算方法，校核确定方舱主要构件尺寸，为方舱的主要结构的形状及具体尺寸提供了更准确的参考数据。将方舱视为舰船上层建筑，采用简化梁计算方法更方便准确的得出方舱的各种主要承力部件的尺寸，选用合适的材料，在此基础上设计的方舱在船舶运动环境下，能够确保方舱结构的稳固性和运输的安全性。
附图说明
图1为本发明的方舱结构计算系统的构建步骤的流程图；
图2为本发明的ISO系列1集装箱的外形尺寸表；
图3为本发明的方舱整体结构简图；
图4为本发明的顶侧梁的简化计算模型的结构示意图；
图5为本发明的立柱的简化计算模型的结构示意图；
图6为本发明的底侧梁的简化计算模型的结构示意图；
图7为本发明的波纹板的剖面简化的单跨梁模型结构示意图。
图中：1-顶端梁；2-顶侧梁；3-顶板；4-底端梁；5-底侧梁；6-底板；7-立柱；8-侧壁；9-端壁。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1所示，本发明提供了一种舰船上方舱舱体的结构计算系统，包括步骤：
包括步骤：
S100、依据方舱装载要求确定方舱外形尺寸和设计载重；
S200、构建舰船上的方舱模型；可补充的是，方舱模型在舰船上的载荷按同一艘舰船上的上层建筑的载荷确定方法确定，保证方舱的载荷衡准和方舱所在舰船的上层建筑的载荷衡准的匹配性。也就是将方舱等效为舰船上一上层建筑，依据舰船的上层建筑的受力特效而构建的方舱模型。
S300、确认方舱模型的主要结构；
S400、依据方舱模型各主要结构的结构型式结合力学原理构建方舱体的结构计算系统。方舱体结构计算系统可分析方舱模型各主要结构的受力，然后进一步确认结构的尺寸，并选用合适的材料，使方舱体的设计更加完整。受力包括重力、随船运动的惯性力力，以及风浪中受到的上浪冲击力。
本发明的优点在于：
本发明构建了方舱模型和方舱体的结构计算系统，并采用简化梁的计算方法，校核确定方舱主要构件尺寸，为方舱的主要结构的形状及具体尺寸提供了更准确的参考数据，将方舱视为舰船上层建筑，采用简化梁计算方法更方便准确的得出方舱的各种主要承力部件的尺寸，选用合适的材料，在此基础上设计的方舱在船舶运动环境下，能够确保方舱结构的稳固性和运输的安全性。
作为本发明一种优选的实施方案，方舱模型的主要结构包括
若干顶端梁1和若干顶侧梁2，位于方舱模型的顶端，顶端梁1与顶侧梁2垂直连接；
一顶板3，与顶端梁1和顶侧梁2连接；
若干底端梁4和若干底侧梁5，位于方舱模型的底端，底端梁4与底侧梁5垂直连接；
一底板6，固定在若干底端梁4和若干底侧梁5组成的空间内；
若干立柱7，连接于底梁(底端梁和底侧梁)和顶梁(顶端梁和顶侧梁)之间；
若干侧壁8和若干端壁9，侧壁固定于立柱7、顶侧梁2和底侧梁5组成的空间内，端壁9固定在立柱7、顶端梁1和底端梁4组成的空间内。
作为一种具体实施例，方舱模型形状为矩形箱。顶端梁1、顶侧梁2、底端梁4、底侧梁5、侧壁8和端壁9的数量均为两个，且两个相同结构之间相互平行。顶端梁1与底端梁4平行、顶侧梁2与底侧梁5平行。
作为本发明一种优选的实施方案，构成材料包括方钢和工字钢，顶端梁1、顶侧梁2和立柱7均采用方钢，底端梁4和底侧梁5均采用工字钢。
作为本发明一种优选的实施方案，顶端梁1、顶侧梁2、立柱7三者两两之间均通过焊接连接，底端梁4、底侧梁5、立柱7三者之间两两之间也通过焊接连接。依据上述的舰船上方舱舱体的结构计算系统，本发明还提供了一种舰船上方舱舱体的结构设计方法，包括步骤：
S500、依据方舱体结构计算系统构建顶侧梁简化计算模型；
S600、依据方舱体结构计算系统构建立柱简化计算模型；
S700、依据方舱体结构计算系统构建底侧梁简化计算模型；S800、依据方舱体结构计算系统构建两端自由支持并承受载荷的波纹板单跨梁模型；
S900、综合顶侧梁简化计算模型、立柱简化计算模型、底侧梁简化计算模型和波纹板单跨梁模型，得出方舱体计算模型。
优选地是，依据方舱体的计算模型细化到每一个方舱结构上，并构建简化计算模型，大大提高了方舱主要结构计算效率，结构设计更加细致，最后再将计算的每个方舱主要结构组合起来，便组合形成一个完整的方舱体模型，此为计算出的方舱体模型，因此称为方舱体计算模型，可为方舱体的设计提供有效的参考和依据。
如图4所示(图中的若干竖直箭头表示梁上的均布载荷，弧形箭头表示弯矩)，作为本发明一种优选的实施方案，顶端梁1和顶侧梁2尺寸相同，依据方舱体计算系统构建顶侧梁2的简化计算模型，顶端梁1和顶侧梁2的两端均承受弯矩，弯矩由箱体的重量产生，顶侧梁2和顶端梁1的弯矩的计算公式为：
式中，M1为顶侧梁或顶端梁的弯矩，T为方舱设计载重与方舱自重之和，L1为顶侧梁的长度，g为重力加速度；
顶端梁1和顶侧梁2的梁上均承受均布载荷，均布载荷由顶板3传递产生。顶端梁1和顶侧梁2的均布载荷的计算公式为：
式中，q1为顶侧梁或顶端梁的均布载荷，Q1为顶板受到的均布载荷；Q1由等效舰船上层建筑的顶板均布荷载决定。
如图5所示，作为本发明一种优选的实施方案，依据方舱体计算系统构建立柱的简化计算模型，立柱7的一端承受弯矩，立柱7的弯矩由箱体重量产生。立柱7的弯矩计算公式为：
式中，M2为立柱的弯矩，T为方舱设计载重与方舱自重之和，L2为底侧梁的长度，g为重力加速度；
立柱7的载荷由侧壁8和端壁9传递产生。立柱7承受的均布载荷计算公式为：
式中，q2为立柱的均布载荷，Q2为侧壁受到的均布载荷，Q2由等效舰船上层建筑的侧板或壁板的均布荷载决定。
如图6所示，作为本发明一种优选的实施方案，底端梁4和底侧梁5的尺寸相同，底端梁4和底侧梁5两端自由支持，梁上承受均布载荷。底侧梁5的载荷由底板6的传递产生。依据方舱体计算系统构建底端梁4和底侧梁5的简化计算模型，底端梁4和底侧梁5上承受的均布载荷公式为：
式中，q3为底侧梁或底端梁的均布载荷，R为方舱设计载重，L3为底侧梁的长度，g为重力加速度，aV为极限海况下方舱安装位置处船舶运动垂向加速度。aV由舰船的本身的极限海况下振动幅度和振动频率决定。
作为本发明一种优选的实施方案，侧壁8、端壁9和顶板3均为波纹板。波纹板可有效增加方舱的内部空间，并且抗震性能好，能应付一些海上恶劣的颠簸的环境。
如图7所示，图中α为波纹板斜面部分与平面部分的夹角。图中t为波纹板的厚度，厚度t可参考规范舰船的中上层建筑的相关规定设计。
作为本发明一种优选的实施方案，依据方舱体计算系统构建两端自由支持并承受载荷的波纹板单跨梁模型，波纹板的其中一个波纹宽度的剖面模数和惯性矩的计算公式分别为：
式中，W为波纹板的剖面模数，I为波纹板的惯性矩，a为波纹平面部分宽度，b为波纹斜面部分宽度，dw为波纹深度。
得出波纹板的尺寸再根据侧壁8、端壁9和顶板3的受力特性即可确认波纹板的尺寸。
作为本发明一种优选的实施方案，底板6为加筋板。依据方舱的载重量及极限海况下船舶运动加速度计算得出底板的载荷。因为底板6会承当方舱和货物的总重量重的大部分重量，因此利用加强筋加固底板6的强度，从而提高底板6的强度，使之承载能力更强。
优选地是，根据公式计算出方舱各主要构件顶梁、立柱、底梁、顶板、底板及侧壁的尺寸后，选取合适的材料，能达到舰船上层建筑的坚固程度，从而使方舱适用于舰船在极限海况下的运输，。
具体地，还包括明确舰船的搭载环境，了解极限海况下船体的运动状态，以计算出舰船上方舱或上层建筑所需的载荷和负载要求。根据方舱任务使命及装载要求，确定方舱的外形尺寸，明确方舱设计载重，一般选用国际标准化组织(ISO)系列1的标准集装箱规格，如图2的表格，若选用非标准箱尺寸，其长、宽、高也应尽可能在标准集装箱规格中选用。为方舱的整体形状和结构部件及材料做出一个整体的参考方向。
可补充的是，方舱材料的选取规则为：方舱材料可选用与舰船的上层建筑相同的材料，其材料需经CCS认可、机械性能及化学成份均满足CCS《材料与焊接规范》要求。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种舰船上方舱舱体的结构计算系统，其特征在于，结构计算系统的建立步骤包括：
S100、依据方舱的装载要求确定方舱的外形尺寸和设计载重；
S200、构建舰船上的方舱模型；
S300、确认方舱模型的主要结构；
S400、依据所述方舱模型各主要结构的结构形式结合力学原理建方舱体结构计算系统；
所述方舱模型的主要结构包括
若干顶端梁和若干顶侧梁，位于所述方舱模型的顶端，所述顶端梁与所述顶侧梁垂直连接；
一顶板，与所述顶端梁和所述顶侧梁连接；
若干底端梁和若干底侧梁，位于所述方舱模型的底端，所述底端梁与所述底侧梁垂直连接；
一底板，固定在若干所述底端梁和若干所述底侧梁组成的空间内；
若干立柱，连接于顶梁和底梁之间；
若干侧壁和若干端壁，所述侧壁固定于所述立柱、所述顶侧梁和所述底侧梁组成的空间内，所述端壁固定在所述立柱、所述顶端梁和所述底端梁组成的空间内；
所述侧壁、所述端壁和所述顶板均为波纹板，所述底板为加筋板；
应用所述结构计算系统的舰船上方舱舱体的结构设计方法包括步骤：
S500、依据所述方舱体结构计算系统构建所述顶侧梁简化计算模型；
S600、依据所述方舱体结构计算系统构建所述立柱简化计算模型；
S700、依据所述方舱体结构计算系统构建所述底侧梁简化计算模型；
S800、依据所述方舱体结构计算系统构建两端自由支持并承受载荷的所述波纹板单跨梁模型；
S900、综合所述顶侧梁简化计算模型、所述立柱简化计算模型、所述底侧梁简化计算模型和所述波纹板单跨梁模型，得出方舱体结构计算模型；
所述顶端梁和所述顶侧梁尺寸相同，所述顶端梁和所述顶侧梁的两端均承受弯矩，所述顶侧梁的弯矩的计算公式为：
式中，M1为顶侧梁或顶端梁的弯矩，T为方舱设计载重与方舱自重之和，L1为顶侧梁的长度，g为重力加速度；
所述顶端梁和所述顶侧梁的梁上均承受均布载荷，所述顶侧梁的均布载荷的计算公式为：
式中，q1为顶侧梁或顶端梁的均布载荷，Q1为顶板受到的均布载荷；
所述立柱的一端承受弯矩，所述立柱的弯矩计算公式为：
式中，M2为立柱的弯矩，T为方舱设计载重与方舱自重之和，L2为立柱的长度，g为重力加速度；
所述立柱承受的均布载荷计算公式为：
式中，q2为立柱的均布载荷，Q2为侧壁受到的均布载荷；
所述底端梁和所述底侧梁的尺寸相同，所述底侧梁上承受的均布载荷公式为：
式中，q3为底侧梁或底端梁的均布载荷，R为方舱设计载重，L3为底侧梁的长度，g为重力加速度，aV为极限海况下方舱安装位置处船舶运动垂向加速度；
所述波纹板的其中一个波纹宽度的剖面模数和惯性矩的计算公式分别为：
式中，W为波纹板的剖面模数，I为波纹板的惯性矩，a为波纹平面部分宽度，b为波纹斜面部分宽度，dw为波纹深度，t为波纹板的厚度。
2.根据权利要求1所述的一种舰船上方舱舱体的结构计算系统，其特征在于，构成型材包括方钢和工字钢，所述顶端梁、所述顶侧梁和所述立柱均采用所述方钢，所述底端梁和所述底侧梁均采用所述工字钢。
3.根据权利要求1所述的一种舰船上方舱舱体的结构计算系统，其特征在于，所述顶端梁、所述顶侧梁、所述立柱三者两两之间均通过焊接连接，所述底端梁、所述底侧梁、所述立柱三者之间两两之间也通过焊接连接。
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2019
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