58m起重船有限元强度计算
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摘 要：起重船作为一种工程船舶，在行业内具有一定的地位与价值，可满足航道架桥、打捞沉船、肃清阻碍等任务要求。本文根据中国船级社《国内航行海船建造规范》的相关要求，利用MSC.Patran/Nastran 软件对一艘58m 起重船进行横向强度建模和计算，验证船舶设计的安全性。
关键词：起重船;有限元计算;横向强度
海洋是人类生存与发展的资源宝库，人类社会正在以全新的姿态向海洋进军[1]。我国有漫长的海岸线、300万平方公里的海洋国土。海洋事业的发展步伐一直在加快，人们开始注重深海的开发，在海洋工程建设过程中，各种特种船舶在海洋工程建设中发挥的作用日益重要[2]。起重船是专门用于起重的工程船， 又称浮吊，是海洋工程建设的重要工程船舶，是海洋开发的必备工具[3]。然而由于起重船特别的工作形式，其船体构造和所受载荷存在着不同于其它类型船舶的特点。因此有效的对起重船的结构进行强度分析在设计过程中起到了非常重要的作用[4]。
本文根据中国船级社《国内航行海船建造规范》[5]（2018 及 2019 修改通报）12.1.3.7 的规定，对于B/ D大于3的箱型驳船，按照第二篇第十二章中附录“箱型驳船横向强度校核方法”，运用 MSC.Patran/Nastran 软件进行建模，采用三维有限元模型，用直接计算校核其横向强度。
1 起重船主尺度
该船的总长为58.00m，垂線间长为56.29m，型宽21.00m，型深4.20m，吃水1.90m肋距0.5m，甲板载荷5t/m2，起吊荷重453t。
2 有限元模型
2.1结构模型
运用 MSC.Patran/Nastran 软件进行建模及计算。采用三维有限元模型，根据《国内航行海船建造规范》（2018及2019修改通报）中第二篇第十二章中附录“箱型驳船横向强度校核方法”3.1.1 规定，模型横向范围选取为整个船宽，舱段模型的纵向范围从#70肋位到#86肋位（两端的横舱壁包括在模型内）;垂向范围为整个型深。其中甲板、舱壁等平板结构用板单元模拟，肋板、船底龙骨、甲板纵桁、甲板强横梁、舷侧纵桁、舷侧强肋骨、舱壁垂直桁等腹板用板单元模拟，面板用梁单元模拟;其它小的骨材及支柱用梁单元模拟。
有限元模型有节点13365个，单元19717个。模型材料：弹性模量 E=2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7.85t/m3。有限元模型如图1和图2所示。
2.2 坐标系
取直角坐标系，坐标系统原点0位于Fr72号船底中线处，X轴向船艏为正方向，Y轴向左侧舷为正方向，Z轴向上为正方向。
2.3 边界条件位置
根据《国内航行海船建造规范》（2018 及 2019 修改通报）中第二篇第十二章附录 3.1.3.1 规定，模型的两端（简称A端和B端）均需约束。详细边界条件见表1。
3 计算工况及载荷
3.1 计算工况
根据《国内航行海船建造规范》（2018 及 2019 修改通报）中第 2 篇第 12 章附录 2.1.2 规定如下：为考虑横浪作用沿船长局部范围内产生的效果，在计算工况中采用施加于两舷的不对称舷外水压力来模拟。可假定一舷侧受到静水压力和波浪压力的叠加作用，另一舷侧受静水压力和反向波浪动压力的作用。
考虑以下两种工况：
（1）对称工况：甲板最大许用荷载+舷外静水压力+由外向内作用的两舷对称受压的波浪动压力;
（2）非对称工况：甲板最大许用荷载+舷外静水压力+一舷由外向内、另一舷由内向外作用的反对称波浪动压力。
3.2 舷外水压力
根据《国内航行海船建造规范》（2018 及 2019 修改通报）中第 2 篇第 12 章附录 2.1.2 规定如下：
舷外水压力由静水压力和波浪水动压力两部分组成：
3.3 许用应力
根据《国内航行海船建造规范》（2018 及 2019 修改通报）第 2 篇第 12 章附录 4.2.1.1 规定，对于板单元，强肋骨腹板、纵舱壁垂直桁腹板的板单元相当应力σe为170N/mm2，基于腹板总高度的平均剪切应力τ无要求;甲板强横梁腹板、船底肋板的板单元相当应力σe为170N/mm2，基于腹板总高度的平均剪切应力τ为90N/mm2。对于梁单元和杆单元，模拟横框架强构件腹板上面板的梁单元或设置在横向构件上的梁的正应力σrod为170N/mm2，横向桁架撑杆的横向桁架撑杆σrod为141N/mm2。
4 强度评估
根据《国内航行海船建造规范》（2018 及 2019 修改通报）第 2 篇第 12 章附录 4.1.1.1 规定，有限元的结果评估取值范围应基于模型中的一个横向强框架。计算结果选取各强框架最大值进行应力评估，各主要构件的计算结果如下：
（1）强肋骨腹板：在载荷工况1中，相当应力为111N/mm2，在载荷工况2中，相当应力为111N/mm2， 相当应力最大的位置为Fr78 肋位，强肋骨与强横梁相交处;
（2）强肋骨腹板上面板梁单元：：在载荷工况1中，相当应力为67.6N/mm2， 在载荷工况2中，相当应力为67.7N/mm2， 相当应力最大的位置为Fr78 肋位，舷侧强肋骨与强横梁相交处;
（3）纵舱壁垂直桁腹板：在载荷工况1中，相当应力为26.5N/mm2， 在载荷工况2中，相当应力为25.3N/mm2， 相当应力最大的位置为Fr78 肋位，强肋骨与强横梁相交处;
（4）纵舱壁垂直桁腹板上面板梁单元：在载荷工况1中，相当应力为22.4N/mm2，在载荷工况2中，相当应力为22.7N/mm2，相当应力最大的位置为Fr78 肋位，纵舱壁垂直桁与实肋板相交处; （5）甲板强横梁腹板：在载荷工况1中，相当应力为39.3N/mm2，剪切应力为16.8N/mm2，在载荷工况2中，相当应力为39.3N/mm2，剪切应力为16.7N/mm2，相当应力最大的位置为Fr78 肋位，甲板强横梁与纵舱壁垂直桁相交处;
（6）甲板强横梁腹板上面板梁单元：在载荷工况1中，相当应力为38.2N/mm2，在载荷工况2中，相当应力为42N/mm2，相当应力最大的位置为Fr78 肋位，甲板强横梁与纵舱壁垂直桁相交处;
（7）船底实肋板：在载荷工况1中，相当应力为42.8N/mm2，剪切应力为17.7N/mm2，在载荷工况2中，相当应力为44.4N/mm2，剪切应力为16.9N/mm2，相当应力最大的位置为Fr78 肋位，实肋板与船舭部相交处;
（8）船底实肋板上面板梁单元：在载荷工况1中，相当应力为35.4N/mm2，在载荷工况2中，相当应力为28.6N/mm2，相当应力最大的位置为Fr78 肋位，实肋板与垂向撑杆相交处;
（9）支柱及横向桁架撑杆：在载荷工况1中，相当应力为105N/mm2，在载荷工况2中，相当应力为105N/mm2，相当应力最大的位置为Fr78 肋位，垂向撑杆与实肋板相交处。
部分结构的在最危险工况下的应力云图如图3-6所示。
5 结论
通过对主要结构构件的应力分析和变形汇总，发现本船的应力和变形都在法规允许范围内。
经过横向强度评估分析，可以得出结论：本船横向强度满足《国内航行海船建造规范》（2018 及 2019 修改通报）附录“箱型駁船横向强度校核方法”中相关要求，因此可满足各工况下的作业强度要求。
参考文献：
[1]陈婷，张琳琳，杨荣升.海洋经济发展与生态文明[J].人民之声，2013（07）：29-32.
[2]金月. 起重船动力定位系统控制技术研究[D].江苏科技大学，2017.
[3]张飞达.内河起重船变幅扒杆强度有限元分析[J].中国水运（下半月），2016，16（10）：92-94.
[4]尹睿. 1200t起重船结构强度分析[D].江苏科技大学，2018.
[5]中国船级社.国内航行海船建造规范[M].北京：人民交通出版社，2018.
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