浮船坞过渡区结构强度分析

浮船坞过渡区结构强度分析

1浮箱结构特点17吨钢浮船是中国最大的浮船码头。浮箱长320m，浮箱宽60m。它可以在800吨海上拥有装载箱的船舶。本坞由两艘旧油船改建而成，其中浮箱部分由中段浮箱和首、尾段浮箱三段组成。中段浮箱由一艘巨型油轮结构改建，而首、尾段浮箱由另一艘较小的油轮改建而成。所以，在首、尾段浮箱间的过渡区域结构相对较弱。这种结构属我国目前浮船坞规范所指的分离型，即坞墙为连续而底部浮箱是非连续结构。为了确保浮船坞在设计使用作业工况下的结构强度，对浮船坞坞体结构进行了三维有限元计算分析，得到了坞体和连接处结构的变形和应力分布，通过计算可使设计者在设计中了解坞体结构的强度特性，保证坞体结构的使用安全。217吨钢浮桥计算参数2.1浮箱、监控墙长十七万吨级钢质浮船坞的主要尺度参数如下:浮箱长317.81m，坞墙长300.31m，浮坞内宽52.0m，坞墙宽4.0m，浮箱甲板高度（边/中）5.6/5.8m。2.2浮船重降板前浮船重浮船苯装设计浮船坞的强度设计状态参数如下：浮坞吃水：7.20m（龙骨墩顶面吃水）浮心位置：Xb=-0.586m,Yb=0.05m浮船坞各项重量分布状态按设计要求选取。3进生长方程及重量分布十七万吨级钢质浮船坞结构有限元计算的载荷是根据浮船坞强度设计状态外载荷计算所提供的结果。在进行坞体结构有限元强度分析时选取了以下两种工况作为计算方案。方案一：坞体受设计垂向弯矩和剪力作用。坞体内载荷情况如表1所示。坞体受设计垂向弯矩和剪力作用，进坞船舶的设计重量为45000t，重量分布按规范的要求确定。进坞船舶的船长为0.8倍的浮箱长度（254.248m），重量为矩形上叠加一抛物线组成。抛物线部分的面积为15000t，矩形部分面积为30000t，重量分布曲线的长度中点对应浮箱长度的中点（见图1）。进坞船舶的重量分布y可用下列方程来描述。其中：x—进坞船舶长度方向的坐标，坐标原点在进坞船舶船尾，m;y—进坞船舶沿船长方向的重量分布，t/m;l0—进坞船舶的船长，此处l0=254.248m;w—进坞船舶的船体重量，w=45000t。在计算中不考虑进坞船舶的刚度，进坞船舶的重量全部由龙骨墩承受。方案二：坞体受设计垂向弯矩和剪力作用，同时受到扭转力矩作用。此方案计及浮船坞右坞墙上二台起重机重量同时位于首端对坞体产生的扭矩，在此方案中，进坞船舶的重量及其分布与方案一相同，坞体所受到的设计垂向弯矩和剪力也与方案一相同。此方案同时又有扭转力矩作用，扭矩分布为：在浮船坞艏部为0，并线性增加到连接过渡区（距舯113.5m)179508kN.m，再至距舯111.23m处线性增加到223027kN.m，然后至坞舯为均匀分布。4浮船0模型的建立及模型求解本计算建立了浮船坞坞体结构三维有限元模型。浮船坞浮箱部分由三段组成，分为中段浮箱和首尾段浮箱。在中段浮箱与首尾段连接的过渡段部位，由于首部过渡段结构弱于尾部过渡段结构，因此选取浮船坞舯前段整体结构建立三维有限元模型，并对坞体的过渡段结构进行重点研究。有限元结构模型把浮船坞上所有的结构，如顶甲板、安全甲板、浮箱甲板、纵横舱壁和内外坞墙等都模型化，坞体结构被离散为有限单元，整体有限元模型主要由板单元和梁单元构成，所有的甲板、坞墙、坞底板和纵横舱壁被离散为板单元，纵横加强筋、一般纵桁和纵骨被离散为梁单元。构造三维有限元模型的依据，是浮船坞的结构设计所提供的设计结构图纸，其中包括甲板结构图、坞底结构图、内外坞墙结构图及坞体横剖面图等。本浮船坞是由两艘旧船改建而成，在计算中取旧船改建部分构件的厚度为原旧船厚度的90%。在改建中新增钢料的厚度取为原厚度。由于要考虑扭矩对坞体结构的影响，所以建立了包括左右舷的浮船坞有限元结构计算模型。有限元模型的节点数为9612个，板单元数为12027个，梁单元数为11657个。浮船坞结构有限元模型图见图2。在离散有限元模型时，保持板单元和梁单元的横截面积与原结构的横截面积相一致，同时控制板单元的长宽比使保持在一合理的水平。整体有限元计算模型的坐标系统选在浮船坞的中纵剖面上，坐标原点取在浮船坞#154剖面和基线的交点上，按右手坐标系法则，X轴（纵向）指向浮船坞首部方向，Y轴（横向）指向浮船坞的左坞墙，Z轴（垂向）向上指向顶甲板。计算模型的边界条件是在x=0的#154横剖面上施加节点约束，该剖面上的节点自由度为θx=θy=θz=ux=0。另外在该剖面浮箱甲板部位，中纵剖面处的节点上施加uy=uz=0，其余节点施加uz=0约束。有限元模型的其它部位节点均是完全自由的，不施加任何约束。这种约束状态近似于在x=0处的横剖面处施加刚性固定约束，但它的区别在于刚性固定约束是该截面6个自由度（3个位移、3个转角）均被约束，而本方案除了中间一个节点是刚性固定约束外，该剖面其余节点的uy和uz都被允许有自由移动。5浮桥的有限强度计算5.1有限元模型的建立在按有限元方法求解强度问题时，可以归结为求解下列方程其中：[K]—结构刚度矩阵；{u}—结构节点位移向量；从方程（2）可知，在对有限元模型加载过程中，不论载荷有多种方式，例如结构自重，水压力载荷，设备重量，静水外压力，以及外加的弯矩和剪力等等，最终都可归结为结构节点力矩阵{P}。节点力矩阵{P}是以作用在计算节点上的集中力或集中力矩的形式出现的。在当前的有限元计算模型中，选择了浮船坞首半段整体结构建立三维有限元模型，节点的约束除约束左面端部截面节点外，其余节点六个自由度都是自由的，即不施加任何约束。然后把作用在坞体上的压载舱水压力，坞体外表面的水压力和重力构成的一个总的节点力系，从坞首进行积分，此力系的积分值等于所给定的坞体沿坞长分布的总的剪力和弯矩，即其中：Px—坞体作用的载荷；N0—坞体首端给定的剪力，在本计算中N0=0;M0—坞体首端给定的弯矩，在本计算中M0=0;x0—坞体首端的沿纵向的坐标值x0;P1xi—在节点i由压载舱水压力得到的垂向节点集中力，和由进坞船舶作用得到的节点集中力；P2xi—在节点i由坞体外表面水压力得到的节点集中力；Wxi—由坞体结构自重得到的节点集中力；Nx—给定的坞体在x位置的总剪力；Mx—给定的坞体在x位置的总弯矩。计算经验表明，不论对有限元模型如何准确加载，所构成的总的剪力和弯矩都不能满足（3）式和（4）式。这是由于把均布力化成集中力时与计算外力的模型存在着差异。而且有限元计算模型实际作用的总弯矩和总剪力与给定的设计剪力和弯矩一致是获得有限元模型正确分析结果的必要条件。于是，可以附加一修正的重力，对（3）式和（4）式进行修正，即其中：W*xi—修正的结构自重集中力系。由此我们得到下列有限元模型加载的步骤：(1）建立三维有限元坞体结构模型；(2）对坞体自重进行加载，获得坞体节点集中力系Wxi;(3）对坞体压载水舱载荷进行加载，获得相对应的节点集中力系，计算进坞船舶的对浮船坞浮箱甲板的作用力，获得相应的节点集中力系，二组集中力系记为P1xi;(4）对坞体外部水压力进行加载，获得节点集中力系P2xi;(5）利用有限元模型的节点坐标，和加载获得的节点集中力系P1xi、P2xi、Wxi代入（5）式和（6）式进行计算，最终获得修正的重力集中节点力系Wi*x;(6）合成所有的节点集中力系，获得提供（2）式有限元计算的节点集中力系{P}，供有限元计算求解使用。对有限元加载和集中力系{P}生成的整个过程，采用程序计算来完成。5.2合成应力的值在计算结果中，得到的应力一般为X和Y方向的正应力和XY方向的剪应力。本报告中的应力值，如不注明均指等效应力，等效应力σ0由下式得出：其中：σ0—单元平面的合成应力；σx—单元平面沿X方向的正应力;应力判断一般是以四边形单元或三角形单元应力中心点为标准，所以计算结果所列出的是单元中心点的应力。5.3计算1的计算结果在设计计算方案一中，浮船坞吃水为7.20m，坞体受到给定的设计弯矩和剪力作用，经结构有限元计算，获得了坞体结构变形和应力结果。5.3.1浮船生长的变形通过计算，得到了浮船坞的相对变形，由于首段浮箱左右存在一定的不对称，因此浮船坞左右舷的位移也有微小的不同。该计算方案的坞体相对变形见图3。从变形的计算结果可以看出，浮船坞的首部相对于坞舯的最大垂向变形为55.14cm，相当于坞长的1/580，此工况下坞体的变形不大，坞体的刚度是有保证的。5.3.2浮箱渗流场应力值在计算方案一的工况下，在坞体结构上作用有浮力，浮船坞自重、压载水载荷和进坞船舶的重量，它们共同作用产生沿坞长分布的静水弯矩和剪力，静水弯矩呈中垂分布。通过有限元计算分析，获得了浮船坞各部位的应力分布值，应力分析部位是从坞舯开始直至首部的整段坞体结构应力。图4显示了浮船坞整体结构等效应力分布。通过计算可以看出，在总纵弯矩作用下应力最大的部位是在坞舯部位，该部位顶甲板的最大应力值为148MPa，沿坞长方向逐步向首部减小。浮箱甲板在中纵剖面部位由于进坞船舶的重量作用应力值大于左右两舷，但应力最大的部位位于首浮箱与内坞墙连接的部位，最大应力值为79MPa。浮船坞中部浮箱坞底板的应力分布主要受总纵弯矩作用，在#184剖面的中部应力较大，为71MPa，在#274剖面的连接部位的中部应力最大，最大应力值为95MPa。浮船坞的内外坞墙应力都为条形分布，接近顶甲板部位的应力值大于接近坞底的应力值，应力最大部位都出现在坞舯接近顶甲板的部位，其中外坞墙最大应力为136MPa，内坞墙最大应力为142MPa。通过计算发现，虽然在中部浮箱与首部浮箱的连接部位结构较弱，但由于该部位已接近浮船坞的首部，承受的总纵弯矩和进坞船舶的作用力都较小，因而该部位的应力值不大。在顶甲板和内外坞墙部位的结构连续，应力主要受总强度的影响，该部位的底部受局部影响较大，在#274剖面坞底板中部的剪应力增大，应力值为47.9MPa，从而使该部位的等效应力达到95MPa，底部中纵舱壁在#274剖面的等效应力值达到95MPa，高于附近剖面的应力值。在底部过渡区加强结构相接的部位，外坞墙在#274剖面处应力为36MPa，内坞墙应力为37MPa。在#270～#280之间的底部加强板的最大应力为49MPa，位于#274剖面的中部。5.4浮船生长的影响在设计计算方案二中，浮船坞吃水为7.20m，坞体受到给定的设计弯矩和剪力作用，同时考虑到浮船坞首部吊机的作业工况，增加了扭转力矩。经结构有限元计算，获得了坞体结构变形和应力结果。5.4.1浮船生长的整体位移通过计算，得到了浮船坞的相对变形，坞体的变形除有中垂状态的弯曲变形外，还存在扭转变形。在扭转力矩的影响下，浮船坞左右舷的位移变化也比计算方案一大。该计算方案的坞体相对变形见图5。从变形的计算结果可以看出，在中纵剖面部位，浮船坞的首部相对于坞舯的最大垂向变形为55.14cm，相当于坞长的1/580，由于扭转变形的影响，在首端左外坞墙的最大垂向位移为57.96cm，首端右外坞墙的最大垂向位移为46.15cm。此工况下坞体的变形不大，坞体的刚度是有保证的。5.4.2浮船0.2浮船生长在计算方案二的工况下，在坞体结构上作用有浮力，浮船坞自重、压载水载荷和进坞船舶的重量，它们共同作用产生沿坞长分布的静水弯矩、剪力，弯矩和剪力的分布与计算方案一相同，同时作用一附加扭矩。通过有限元计算分析，获得了浮船坞各部位的应力分布值，应力分析部位是从坞舯开始直至首部的整段坞体结构应力。由于附加扭矩的作用使浮船坞的应力呈左右舷不对称分布，而且各主要构件的最大应力值都有所增加，但增加幅度不大。图6显示了浮船坞整体结构等效应力分布。通过计算可以看出，在总纵弯矩作用下应力最大的部位是在坞舯部位，受扭矩影响，左舷应力大于右舷应力。顶甲板的最大应力值为173MPa，作用在坞舯部位的左舷。浮箱甲板在中纵剖面部位由于进坞船舶的重量作用应力值大于左右两舷，但应力最大的部位位于首浮箱与右内坞墙连接的部位，最大应力值为86MPa。浮船坞中部浮箱坞底板的应力分布主要受总纵弯矩和扭矩作用，在#164剖面的左舷应力较大为78MPa，在#274剖面的连接部位的中部最大应力值为96MPa。浮船坞的内外坞墙应力都为条形分布，接近顶甲板部位的应力值大于接近坞底的应力值，左舷应力值大于右舷应力值，应力最大部位都出现在坞舯接近顶甲板的部位，其中外坞墙最大应力为153MPa，内坞墙最大应力为167MPa。在此计算方案中，中部浮箱与首部浮箱的连接部位的结构应力较计算方案一有所增加，但该部位的坞底板中部受到的剪应力受扭矩的影响有所减小，应力值为52.4MPa，因而在#274剖面坞底板中部部位的等效应力为96MPa，底部中纵舱壁在#274剖面的等效应力值达到95MPa，与计算方案一差不多。在底部过渡区加强结构相接的部位，外坞墙在#274剖面处应力为31MPa，内坞墙应力为38MPa。在#270～#280之间的底部加强板的最大应力为57MPa，位于#274剖面的中部。6结构分析结果(1）通过对十七万吨级钢质浮船坞二种设计载荷工况的结构有限元强度计算，得到了浮船坞坞体结构在设计计算载荷作用下的变形，坞体最大相对垂向变形为55.14cm，相当于坞长的1/580，浮船坞坞体变形不大，其结构刚度是有保证的。(2）通过计算，获得了二种设计载荷工况下的浮船坞坞体结构的应力分布，计算方案二的应力值大于计算方案一的应力值，通过两种方案计算浮船坞各主要部位的最大应力值（见表1）。本浮船坞在顶甲板、左右坞墙的顶甲板与安全甲板之间等部位采用屈服点为315MPa的AH32和DH32高强度钢。这些部位构件的最大计算应力为173M