浮船塢過渡區(qū)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

浮船塢過渡區(qū)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

1浮箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)17噸鋼浮船是中國(guó)最大的浮船碼頭。浮箱長(zhǎng)320m，浮箱寬60m。它可以在800噸海上擁有裝載箱的船舶。本塢由兩艘舊油船改建而成，其中浮箱部分由中段浮箱和首、尾段浮箱三段組成。中段浮箱由一艘巨型油輪結(jié)構(gòu)改建，而首、尾段浮箱由另一艘較小的油輪改建而成。所以，在首、尾段浮箱間的過渡區(qū)域結(jié)構(gòu)相對(duì)較弱。這種結(jié)構(gòu)屬我國(guó)目前浮船塢規(guī)范所指的分離型，即塢墻為連續(xù)而底部浮箱是非連續(xù)結(jié)構(gòu)。為了確保浮船塢在設(shè)計(jì)使用作業(yè)工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)浮船塢塢體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維有限元計(jì)算分析，得到了塢體和連接處結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布，通過計(jì)算可使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)中了解塢體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度特性，保證塢體結(jié)構(gòu)的使用安全。217噸鋼浮橋計(jì)算參數(shù)2.1浮箱、監(jiān)控墻長(zhǎng)十七萬噸級(jí)鋼質(zhì)浮船塢的主要尺度參數(shù)如下:浮箱長(zhǎng)317.81m，塢墻長(zhǎng)300.31m，浮塢內(nèi)寬52.0m，塢墻寬4.0m，浮箱甲板高度（邊/中）5.6/5.8m。2.2浮船重降板前浮船重浮船苯裝設(shè)計(jì)浮船塢的強(qiáng)度設(shè)計(jì)狀態(tài)參數(shù)如下：浮塢吃水：7.20m（龍骨墩頂面吃水）浮心位置：Xb=-0.586m,Yb=0.05m浮船塢各項(xiàng)重量分布狀態(tài)按設(shè)計(jì)要求選取。3進(jìn)生長(zhǎng)方程及重量分布十七萬噸級(jí)鋼質(zhì)浮船塢結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算的載荷是根據(jù)浮船塢強(qiáng)度設(shè)計(jì)狀態(tài)外載荷計(jì)算所提供的結(jié)果。在進(jìn)行塢體結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度分析時(shí)選取了以下兩種工況作為計(jì)算方案。方案一：塢體受設(shè)計(jì)垂向彎矩和剪力作用。塢體內(nèi)載荷情況如表1所示。塢體受設(shè)計(jì)垂向彎矩和剪力作用，進(jìn)塢船舶的設(shè)計(jì)重量為45000t，重量分布按規(guī)范的要求確定。進(jìn)塢船舶的船長(zhǎng)為0.8倍的浮箱長(zhǎng)度（254.248m），重量為矩形上疊加一拋物線組成。拋物線部分的面積為15000t，矩形部分面積為30000t，重量分布曲線的長(zhǎng)度中點(diǎn)對(duì)應(yīng)浮箱長(zhǎng)度的中點(diǎn)（見圖1）。進(jìn)塢船舶的重量分布y可用下列方程來描述。其中：x—進(jìn)塢船舶長(zhǎng)度方向的坐標(biāo)，坐標(biāo)原點(diǎn)在進(jìn)塢船舶船尾，m;y—進(jìn)塢船舶沿船長(zhǎng)方向的重量分布，t/m;l0—進(jìn)塢船舶的船長(zhǎng)，此處l0=254.248m;w—進(jìn)塢船舶的船體重量，w=45000t。在計(jì)算中不考慮進(jìn)塢船舶的剛度，進(jìn)塢船舶的重量全部由龍骨墩承受。方案二：塢體受設(shè)計(jì)垂向彎矩和剪力作用，同時(shí)受到扭轉(zhuǎn)力矩作用。此方案計(jì)及浮船塢右塢墻上二臺(tái)起重機(jī)重量同時(shí)位于首端對(duì)塢體產(chǎn)生的扭矩，在此方案中，進(jìn)塢船舶的重量及其分布與方案一相同，塢體所受到的設(shè)計(jì)垂向彎矩和剪力也與方案一相同。此方案同時(shí)又有扭轉(zhuǎn)力矩作用，扭矩分布為：在浮船塢艏部為0，并線性增加到連接過渡區(qū)（距舯113.5m)179508kN.m，再至距舯111.23m處線性增加到223027kN.m，然后至塢舯為均勻分布。4浮船0模型的建立及模型求解本計(jì)算建立了浮船塢塢體結(jié)構(gòu)三維有限元模型。浮船塢浮箱部分由三段組成，分為中段浮箱和首尾段浮箱。在中段浮箱與首尾段連接的過渡段部位，由于首部過渡段結(jié)構(gòu)弱于尾部過渡段結(jié)構(gòu)，因此選取浮船塢舯前段整體結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型，并對(duì)塢體的過渡段結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)研究。有限元結(jié)構(gòu)模型把浮船塢上所有的結(jié)構(gòu)，如頂甲板、安全甲板、浮箱甲板、縱橫艙壁和內(nèi)外塢墻等都模型化，塢體結(jié)構(gòu)被離散為有限單元，整體有限元模型主要由板單元和梁?jiǎn)卧獦?gòu)成，所有的甲板、塢墻、塢底板和縱橫艙壁被離散為板單元，縱橫加強(qiáng)筋、一般縱桁和縱骨被離散為梁?jiǎn)卧?。?gòu)造三維有限元模型的依據(jù)，是浮船塢的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所提供的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖紙，其中包括甲板結(jié)構(gòu)圖、塢底結(jié)構(gòu)圖、內(nèi)外塢墻結(jié)構(gòu)圖及塢體橫剖面圖等。本浮船塢是由兩艘舊船改建而成，在計(jì)算中取舊船改建部分構(gòu)件的厚度為原舊船厚度的90%。在改建中新增鋼料的厚度取為原厚度。由于要考慮扭矩對(duì)塢體結(jié)構(gòu)的影響，所以建立了包括左右舷的浮船塢有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。有限元模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為9612個(gè)，板單元數(shù)為12027個(gè)，梁?jiǎn)卧獢?shù)為11657個(gè)。浮船塢結(jié)構(gòu)有限元模型圖見圖2。在離散有限元模型時(shí)，保持板單元和梁?jiǎn)卧臋M截面積與原結(jié)構(gòu)的橫截面積相一致，同時(shí)控制板單元的長(zhǎng)寬比使保持在一合理的水平。整體有限元計(jì)算模型的坐標(biāo)系統(tǒng)選在浮船塢的中縱剖面上，坐標(biāo)原點(diǎn)取在浮船塢#154剖面和基線的交點(diǎn)上，按右手坐標(biāo)系法則，X軸（縱向）指向浮船塢首部方向，Y軸（橫向）指向浮船塢的左塢墻，Z軸（垂向）向上指向頂甲板。計(jì)算模型的邊界條件是在x=0的#154橫剖面上施加節(jié)點(diǎn)約束，該剖面上的節(jié)點(diǎn)自由度為θx=θy=θz=ux=0。另外在該剖面浮箱甲板部位，中縱剖面處的節(jié)點(diǎn)上施加uy=uz=0，其余節(jié)點(diǎn)施加uz=0約束。有限元模型的其它部位節(jié)點(diǎn)均是完全自由的，不施加任何約束。這種約束狀態(tài)近似于在x=0處的橫剖面處施加剛性固定約束，但它的區(qū)別在于剛性固定約束是該截面6個(gè)自由度（3個(gè)位移、3個(gè)轉(zhuǎn)角）均被約束，而本方案除了中間一個(gè)節(jié)點(diǎn)是剛性固定約束外，該剖面其余節(jié)點(diǎn)的uy和uz都被允許有自由移動(dòng)。5浮橋的有限強(qiáng)度計(jì)算5.1有限元模型的建立在按有限元方法求解強(qiáng)度問題時(shí)，可以歸結(jié)為求解下列方程其中：[K]—結(jié)構(gòu)剛度矩陣；{u}—結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移向量；從方程（2）可知，在對(duì)有限元模型加載過程中，不論載荷有多種方式，例如結(jié)構(gòu)自重，水壓力載荷，設(shè)備重量，靜水外壓力，以及外加的彎矩和剪力等等，最終都可歸結(jié)為結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)力矩陣{P}。節(jié)點(diǎn)力矩陣{P}是以作用在計(jì)算節(jié)點(diǎn)上的集中力或集中力矩的形式出現(xiàn)的。在當(dāng)前的有限元計(jì)算模型中，選擇了浮船塢首半段整體結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型，節(jié)點(diǎn)的約束除約束左面端部截面節(jié)點(diǎn)外，其余節(jié)點(diǎn)六個(gè)自由度都是自由的，即不施加任何約束。然后把作用在塢體上的壓載艙水壓力，塢體外表面的水壓力和重力構(gòu)成的一個(gè)總的節(jié)點(diǎn)力系，從塢首進(jìn)行積分，此力系的積分值等于所給定的塢體沿塢長(zhǎng)分布的總的剪力和彎矩，即其中：Px—塢體作用的載荷；N0—塢體首端給定的剪力，在本計(jì)算中N0=0;M0—塢體首端給定的彎矩，在本計(jì)算中M0=0;x0—塢體首端的沿縱向的坐標(biāo)值x0;P1xi—在節(jié)點(diǎn)i由壓載艙水壓力得到的垂向節(jié)點(diǎn)集中力，和由進(jìn)塢船舶作用得到的節(jié)點(diǎn)集中力；P2xi—在節(jié)點(diǎn)i由塢體外表面水壓力得到的節(jié)點(diǎn)集中力；Wxi—由塢體結(jié)構(gòu)自重得到的節(jié)點(diǎn)集中力；Nx—給定的塢體在x位置的總剪力；Mx—給定的塢體在x位置的總彎矩。計(jì)算經(jīng)驗(yàn)表明，不論對(duì)有限元模型如何準(zhǔn)確加載，所構(gòu)成的總的剪力和彎矩都不能滿足（3）式和（4）式。這是由于把均布力化成集中力時(shí)與計(jì)算外力的模型存在著差異。而且有限元計(jì)算模型實(shí)際作用的總彎矩和總剪力與給定的設(shè)計(jì)剪力和彎矩一致是獲得有限元模型正確分析結(jié)果的必要條件。于是，可以附加一修正的重力，對(duì)（3）式和（4）式進(jìn)行修正，即其中：W*xi—修正的結(jié)構(gòu)自重集中力系。由此我們得到下列有限元模型加載的步驟：(1）建立三維有限元塢體結(jié)構(gòu)模型；(2）對(duì)塢體自重進(jìn)行加載，獲得塢體節(jié)點(diǎn)集中力系Wxi;(3）對(duì)塢體壓載水艙載荷進(jìn)行加載，獲得相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)集中力系，計(jì)算進(jìn)塢船舶的對(duì)浮船塢浮箱甲板的作用力，獲得相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)集中力系，二組集中力系記為P1xi;(4）對(duì)塢體外部水壓力進(jìn)行加載，獲得節(jié)點(diǎn)集中力系P2xi;(5）利用有限元模型的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，和加載獲得的節(jié)點(diǎn)集中力系P1xi、P2xi、Wxi代入（5）式和（6）式進(jìn)行計(jì)算，最終獲得修正的重力集中節(jié)點(diǎn)力系Wi*x;(6）合成所有的節(jié)點(diǎn)集中力系，獲得提供（2）式有限元計(jì)算的節(jié)點(diǎn)集中力系{P}，供有限元計(jì)算求解使用。對(duì)有限元加載和集中力系{P}生成的整個(gè)過程，采用程序計(jì)算來完成。5.2合成應(yīng)力的值在計(jì)算結(jié)果中，得到的應(yīng)力一般為X和Y方向的正應(yīng)力和XY方向的剪應(yīng)力。本報(bào)告中的應(yīng)力值，如不注明均指等效應(yīng)力，等效應(yīng)力σ0由下式得出：其中：σ0—單元平面的合成應(yīng)力；σx—單元平面沿X方向的正應(yīng)力;應(yīng)力判斷一般是以四邊形單元或三角形單元應(yīng)力中心點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，所以計(jì)算結(jié)果所列出的是單元中心點(diǎn)的應(yīng)力。5.3計(jì)算1的計(jì)算結(jié)果在設(shè)計(jì)計(jì)算方案一中，浮船塢吃水為7.20m，塢體受到給定的設(shè)計(jì)彎矩和剪力作用，經(jīng)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算，獲得了塢體結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力結(jié)果。5.3.1浮船生長(zhǎng)的變形通過計(jì)算，得到了浮船塢的相對(duì)變形，由于首段浮箱左右存在一定的不對(duì)稱，因此浮船塢左右舷的位移也有微小的不同。該計(jì)算方案的塢體相對(duì)變形見圖3。從變形的計(jì)算結(jié)果可以看出，浮船塢的首部相對(duì)于塢舯的最大垂向變形為55.14cm，相當(dāng)于塢長(zhǎng)的1/580，此工況下塢體的變形不大，塢體的剛度是有保證的。5.3.2浮箱滲流場(chǎng)應(yīng)力值在計(jì)算方案一的工況下，在塢體結(jié)構(gòu)上作用有浮力，浮船塢自重、壓載水載荷和進(jìn)塢船舶的重量，它們共同作用產(chǎn)生沿塢長(zhǎng)分布的靜水彎矩和剪力，靜水彎矩呈中垂分布。通過有限元計(jì)算分析，獲得了浮船塢各部位的應(yīng)力分布值，應(yīng)力分析部位是從塢舯開始直至首部的整段塢體結(jié)構(gòu)應(yīng)力。圖4顯示了浮船塢整體結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布。通過計(jì)算可以看出，在總縱彎矩作用下應(yīng)力最大的部位是在塢舯部位，該部位頂甲板的最大應(yīng)力值為148MPa，沿塢長(zhǎng)方向逐步向首部減小。浮箱甲板在中縱剖面部位由于進(jìn)塢船舶的重量作用應(yīng)力值大于左右兩舷，但應(yīng)力最大的部位位于首浮箱與內(nèi)塢墻連接的部位，最大應(yīng)力值為79MPa。浮船塢中部浮箱塢底板的應(yīng)力分布主要受總縱彎矩作用，在#184剖面的中部應(yīng)力較大，為71MPa，在#274剖面的連接部位的中部應(yīng)力最大，最大應(yīng)力值為95MPa。浮船塢的內(nèi)外塢墻應(yīng)力都為條形分布，接近頂甲板部位的應(yīng)力值大于接近塢底的應(yīng)力值，應(yīng)力最大部位都出現(xiàn)在塢舯接近頂甲板的部位，其中外塢墻最大應(yīng)力為136MPa，內(nèi)塢墻最大應(yīng)力為142MPa。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，雖然在中部浮箱與首部浮箱的連接部位結(jié)構(gòu)較弱，但由于該部位已接近浮船塢的首部，承受的總縱彎矩和進(jìn)塢船舶的作用力都較小，因而該部位的應(yīng)力值不大。在頂甲板和內(nèi)外塢墻部位的結(jié)構(gòu)連續(xù)，應(yīng)力主要受總強(qiáng)度的影響，該部位的底部受局部影響較大，在#274剖面塢底板中部的剪應(yīng)力增大，應(yīng)力值為47.9MPa，從而使該部位的等效應(yīng)力達(dá)到95MPa，底部中縱艙壁在#274剖面的等效應(yīng)力值達(dá)到95MPa，高于附近剖面的應(yīng)力值。在底部過渡區(qū)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)相接的部位，外塢墻在#274剖面處應(yīng)力為36MPa，內(nèi)塢墻應(yīng)力為37MPa。在#270～#280之間的底部加強(qiáng)板的最大應(yīng)力為49MPa，位于#274剖面的中部。5.4浮船生長(zhǎng)的影響在設(shè)計(jì)計(jì)算方案二中，浮船塢吃水為7.20m，塢體受到給定的設(shè)計(jì)彎矩和剪力作用，同時(shí)考慮到浮船塢首部吊機(jī)的作業(yè)工況，增加了扭轉(zhuǎn)力矩。經(jīng)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算，獲得了塢體結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力結(jié)果。5.4.1浮船生長(zhǎng)的整體位移通過計(jì)算，得到了浮船塢的相對(duì)變形，塢體的變形除有中垂?fàn)顟B(tài)的彎曲變形外，還存在扭轉(zhuǎn)變形。在扭轉(zhuǎn)力矩的影響下，浮船塢左右舷的位移變化也比計(jì)算方案一大。該計(jì)算方案的塢體相對(duì)變形見圖5。從變形的計(jì)算結(jié)果可以看出，在中縱剖面部位，浮船塢的首部相對(duì)于塢舯的最大垂向變形為55.14cm，相當(dāng)于塢長(zhǎng)的1/580，由于扭轉(zhuǎn)變形的影響，在首端左外塢墻的最大垂向位移為57.96cm，首端右外塢墻的最大垂向位移為46.15cm。此工況下塢體的變形不大，塢體的剛度是有保證的。5.4.2浮船0.2浮船生長(zhǎng)在計(jì)算方案二的工況下，在塢體結(jié)構(gòu)上作用有浮力，浮船塢自重、壓載水載荷和進(jìn)塢船舶的重量，它們共同作用產(chǎn)生沿塢長(zhǎng)分布的靜水彎矩、剪力，彎矩和剪力的分布與計(jì)算方案一相同，同時(shí)作用一附加扭矩。通過有限元計(jì)算分析，獲得了浮船塢各部位的應(yīng)力分布值，應(yīng)力分析部位是從塢舯開始直至首部的整段塢體結(jié)構(gòu)應(yīng)力。由于附加扭矩的作用使浮船塢的應(yīng)力呈左右舷不對(duì)稱分布，而且各主要構(gòu)件的最大應(yīng)力值都有所增加，但增加幅度不大。圖6顯示了浮船塢整體結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布。通過計(jì)算可以看出，在總縱彎矩作用下應(yīng)力最大的部位是在塢舯部位，受扭矩影響，左舷應(yīng)力大于右舷應(yīng)力。頂甲板的最大應(yīng)力值為173MPa，作用在塢舯部位的左舷。浮箱甲板在中縱剖面部位由于進(jìn)塢船舶的重量作用應(yīng)力值大于左右兩舷，但應(yīng)力最大的部位位于首浮箱與右內(nèi)塢墻連接的部位，最大應(yīng)力值為86MPa。浮船塢中部浮箱塢底板的應(yīng)力分布主要受總縱彎矩和扭矩作用，在#164剖面的左舷應(yīng)力較大為78MPa，在#274剖面的連接部位的中部最大應(yīng)力值為96MPa。浮船塢的內(nèi)外塢墻應(yīng)力都為條形分布，接近頂甲板部位的應(yīng)力值大于接近塢底的應(yīng)力值，左舷應(yīng)力值大于右舷應(yīng)力值，應(yīng)力最大部位都出現(xiàn)在塢舯接近頂甲板的部位，其中外塢墻最大應(yīng)力為153MPa，內(nèi)塢墻最大應(yīng)力為167MPa。在此計(jì)算方案中，中部浮箱與首部浮箱的連接部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)力較計(jì)算方案一有所增加，但該部位的塢底板中部受到的剪應(yīng)力受扭矩的影響有所減小，應(yīng)力值為52.4MPa，因而在#274剖面塢底板中部部位的等效應(yīng)力為96MPa，底部中縱艙壁在#274剖面的等效應(yīng)力值達(dá)到95MPa，與計(jì)算方案一差不多。在底部過渡區(qū)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)相接的部位，外塢墻在#274剖面處應(yīng)力為31MPa，內(nèi)塢墻應(yīng)力為38MPa。在#270～#280之間的底部加強(qiáng)板的最大應(yīng)力為57MPa，位于#274剖面的中部。6結(jié)構(gòu)分析結(jié)果(1）通過對(duì)十七萬噸級(jí)鋼質(zhì)浮船塢二種設(shè)計(jì)載荷工況的結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度計(jì)算，得到了浮船塢塢體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)計(jì)算載荷作用下的變形，塢體最大相對(duì)垂向變形為55.14cm，相當(dāng)于塢長(zhǎng)的1/580，浮船塢塢體變形不大，其結(jié)構(gòu)剛度是有保證的。(2）通過計(jì)算，獲得了二種設(shè)計(jì)載荷工況下的浮船塢塢體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，計(jì)算方案二的應(yīng)力值大于計(jì)算方案一的應(yīng)力值，通過兩種方案計(jì)算浮船塢各主要部位的最大應(yīng)力值（見表1）。本浮船塢在頂甲板、左右塢墻的頂甲板與安全甲板之間等部位采用屈服點(diǎn)為315MPa的AH32和DH32高強(qiáng)度鋼。這些部位構(gòu)件的最大計(jì)算應(yīng)力為173M