工程船箱形定位桩有限元计算与结构优化

［引用格式］徐海波,宋群星.工程船箱形定位桩有限元计算与结构优化[J].船舶物资与市场, 2020, (2):11-12.

工程船箱形定位桩有限元计算与结构优化

徐海波，宋群星

（同方江新造船有限公司，江西 九江 332500）

摘 要：水工建设与维护需要的工程船，需要长时间在水中定位，一般船舶定位通常采用锚定位与桩定位2种形式，锚定位通过受到水域面积和作业范围，桩定位则更加方便与机动。桩定位又通常采用桁架式定位桩和箱形梁定位桩2种方式。本文重点介绍箱形梁定位桩的受力分析，综合考虑结构强度与经济效益，并优化结构取值。

关键词：工程船；定位桩；结构优化

中图分类号：U674.31 文献标识码：A DOI:10.19727/j.cnki.cbwzysc.2020.02.004

0 引言

本船为自航工程船，主要用于葛洲坝电站二江泄水闸护坦区域水下检修，汛期兼顾三峡电源电站拦污栅吊装及其底坎平台水下清淤，三峡电站下游潜水作业平台等作业需求。本船作业及航行区域为：内河B、C级航区、J2级航段、川江及三峡库区[1]。

根据中国船级社《钢质内河船舶建造规范》第1篇第1章第9节《结构强度直接计算》等相关要求对定位桩进行结构校核与取值[2]。

2.2 坐标系

本模型采用右手坐标系，原点O在定位桩底线中点，X轴向船首为正方向，Y轴向左舷为正方向，Z轴向上为正方向。如图1所示。

1 船舶主尺度与定位桩工作参数

总长：.80 m，型宽：17.60 m，型深：3.50 m，设计吃水：2.00 m，

定位桩额定升船力：1200 kN×2，定位桩步进幅度：1400 mm，定位桩额定工作压力：18 Mpa。

图1 有限元建模坐标系示意图

2.3 构件尺寸

定位桩结构采用箱形结构，竖立面及顶底端板全部采用t=30 mm钢板，内部每隔2000 mm设置30 mm厚水平隔板，中间开孔便于人员进行维护；垂直方面设置厚度为30 mmT型加强筋用于垂向支撑，在安装齿条部位的，采用凹板形式，折角处采用全焊接形式，内部水平隔板采用t=12×100 mm加强圈。箱形外板及顶底端板全部采用单面开坡口全焊透形式，焊缝做100%UT探伤检查。齿条采用钻孔螺栓连接，计算不考虑螺栓孔对强度的影响。

2 有限元模型

2.1 模型范围

在三维笛卡尔坐标系中定位桩的有限元计算模型，模型范围为整个定位桩。船长方向为X轴，正方向由船尾指向船首；船宽方向为Y轴，正方向由右舷指向左舷；型深方向为Z轴，正方向由船底指向甲板。模型中忽略了不影响计算结果的部分开孔，定位桩围板及平台板均用shell单元离散，侧板加强材用bar单元离散。

3 边界条件

模型底部施加弹性支持。

收稿日期：2020-01-15

作者简介：徐海波（1978-），男，学士，工程师，研究方向为船舶设计。

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基础科技

4 载荷计算

靠定位桩固定船体时，水流阻力R按兹万科夫法对非自航内河船的公式计算如下[3]：

kgf，

式中：为摩擦阻力系数，钢船取0.17； 为浸水面积，查静水力曲线表得，1110 m2； 为航速，取水流速度，3.5m/s； 为剩余阻力系数，按楔型钢船取，10.5； 为方型系数，查静水力曲线表得，0.775； 为浸水部分舯横剖面面积，41.25m2；

计算可知水流阻力值为18075 kgf。

图2 有限元定位桩基点计算

以定位桩中心线最下端为基点计算，抱箍N1力臂l1=16.73 m，抱箍N2力臂l2=14 m，则：16.73N1=14N2，得：N2=18075 kgf=1.773×105 N，N1=1.484×105 N。

本船的最大作业吃水为2.35 m，本船定位桩一次抬船的步进为140 mm，单次抬船的排水量变化通过静水力数据表查表得到约为135 t，故两个定位桩同时抬船提供的抬船力为244 t（2400 kN），满足抬船要求。

在基座面板承受1200 kN向下的力。

在抱箍1、抱箍2之间施加1.2F=1.44×106N向下的力(增加20%的余量)。

5 有限元建模计算

有限元建模计算结果如图3和图4所示。

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图3 板单元应力计算

图4 板单元应力计算结构优化

6 结语

通过对有限元模型的应力加载，原设计尺寸符合要求规范参考值，且能够较好地满足经济效益的要求。

参考文献：

[1]陈磊,刘奕谦,李丹丹,等.集装箱船典型舱口盖定位销支撑结构强度分析简化方法[J].船海工程,2018,47(04):44-46+51.

[2]中国船级社.钢质内河船舶建造规范 [M].人民交通出版社.2016. [3]许维德.流体力学[M].华东船舶工业学院教研室.2001.