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基于110t拼装式起重船的结构强度与浮箱体拼装优化研究

2014-04-13李爱华

江苏航运职业技术学院学报 2014年3期
关键词:浮箱起重船模糊集

李爱华

(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240)

基于110t拼装式起重船的结构强度与浮箱体拼装优化研究

李爱华

(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240)

文章针对某110t拼装式起重船,研究其两侧增设首尾浮箱后的结构性能,提出了对浮箱结构的四个整改方案,并利用Fuzzy综合评判理论对其浮箱拼装优化进行综合评判,具有一定的应用价值。

拼装式起重船;结构强度;浮箱;有限元;Fuzzy综合评判理论

0 引言

为保障物资输送和维持海上的交通通畅,浮箱技术的研究和运用将作为首选。浮箱作为重要的浮渡工具,不仅能在战时用于跨越江河或海滩障碍,同时也在平时的抗洪抢险、桥梁施工和船舶航行作业等国民经济建设中发挥重要作用,其重要性越来越受到国内外企业的重视。而起重船作为海洋工程的辅助船舶,不仅在海洋油气田的开发过程中发挥着重要的作用,还是海上工程吊装、海洋打捞作业中不可或缺的装备。该种类型的船舶近年来得到了大力的发展。[1,2]因此,本文主要工作是将浮箱增设到起重船后,计算自身的结构强度和研究浮箱的拼装性能。

1 110t拼装式起重船有限元分析

1.1 有限元模型

按照《船舶与海上设施起重规范》(2007)(以下简称“规范”)进行建模与边界处理,同时利用有限元软件MSC/PATRAN及MSC/NASTRAN对110t拼装式起重船船体结构强度进行有限元校核计算。在建模过程中,沿着船长方向定义为X方向,沿着船宽度方向取为Y方向,高度方向就看作Z方向。[3]船体有限元模型共有7 544个节点,9 204个单元;浮箱有限元模型共有2 568个节点,2 514个板单元,有限元模型如图1所示。

图1 整体有限元模型

1.2 边界条件与载荷加载

在对110t拼装式起重船整船有限元分析时,需要对模型边界进行确定,结合规范的要求,边界条件如表1所示。

表1 110t拼装式起重船整体的边界约束

本船的计算荷载工况主要考虑到有风无风、吊臂位置等因素。在计算过程中往往涉及到危险工况来分析,所以本文的工况可包括6种,具体是:工况1,扒杆起吊角度为70°,此时不考虑风载;工况2,扒杆处于过桥的时候,起吊角度为12°,同样不受风载;工况3,扒杆起吊角度为70°,此时考虑风载;工况4,组合受载,风速55m/s(前后方),静横倾30°,甲板前后上方受到加速度影响;工况5,组合受载,风速55m/s(横向),静横倾30°,甲板前后上方受到加速度影响;工况6,扒杆起吊角度为70°,同时受到组合载荷影响。

加载位置:根据总布置图以及载荷计算所得值,加载位置为扒杆底部与甲板接触位置。在对整船有限元分析时,必须要采取MPC对主船体以及浮箱之间关系,这样可以更好地传递他们之间的载荷,如图2和图3所示。

图2 船体整体载荷加载

图3 采取MPC建立主船体与浮箱连接图

1.3 许用应力

按照规范的规定,确定出不同工况下的起重机结构安全系数以及许用应力,船体构件许用应力如表2所示。

表2 船体构件许用应力

1.4 应力结果

通过对110t拼装式起重船船体结构的计算,应力结果如表3所示,并有以下结论:

(1)该船在6个工况下的有限元强度均满足规范许用应力的要求;

(2)船体在工况6,即扒杆起吊角度为70°,同时受到组合载荷影响下计算出来的应力最大值为132MPa,其原因主要是船舶受到组合载荷影响,不仅有风速还有加速度等因素,造成船舶应力较大。

表3 应力水平汇总

2 浮箱体结构性能研究

2.1 概述

基于对110t拼装式起重船结构强度的研究,可提出如下四种浮箱改进方案,研究对船舶整体强度的影响。具体为:方案Ⅰ,在尾浮箱内部增设横舱壁;方案Ⅱ,在尾浮箱内部增设纵舱壁;方案Ⅲ,增加尾浮箱与靠近船体舷侧外板的厚度(从原来的6mm增加为7mm);方案Ⅳ,把首尾浮箱做成一个整体,不改变其高度。

2.2 计算结果比较

改进后的浮箱结构在起重船受到外载荷作用下,拼装式起重船应力计算结果比较如表4所示。可以发现,不同方案之下的110t拼装式起重船的船体强度应力都有所提高,这为今后拼装式起重船结构的设计提供一定借鉴意义。

表4 应力比较(MPa)

3 拼装式起重船结构的模糊综合批判

下面将主要通过Fuzzy综合评判理论对前面提到的四种方案进行综合评判,确定最优方案,这样也会为实际建造提供一定参考意见。

3.1 建立评判对象因素集

评判对象因素集如式(1)所示。式中,u1为安全性;u2为工艺性;u3为经济性。其中u2(工艺性)由切割长度的数值、加工场所的具体情况、装配情况、涂装技术要求等四个子因素确定,如式(2)所示。式中,u21为切割长度;u22为加工条件;u23为装配条件;u24为涂装。

3.2 建立因素权重集

在建立因数权重集时,首先需要对安全性、工艺性和经济型进行整体确定权重,在此可以认为第一层因素权重模糊集。从这三个因素中,安全性最重要,直接影响船舶在码头装载和航行过程中船舶以及人员的安全,而工艺性是在安全性得到满足的前提下,对船舶切割、加工、装配等技术指标的改进与提高,经济性因素的重要性相对最小,仅仅出于船舶营运为目的而考虑的一项因素,通过表5可得权重A=(0.366,0.337,0.297)。在建立因数权重集时,还需要对工艺性中涉及到切割长度的数值、加工场所的具体情况、装配情况、涂装技术进行确定权重,在此可以认为第二层因素权重模糊集。在本文选定的四项指标中,钢料切割最重要,对船体建造工艺的质量起到很大影响,也影响了此结构的强度,因此该项指标最重要。构件加工和装配在切割的基础上进行的,也比较重要,直接影响焊接的工作量以及分段建造工艺要求,涂装的重要性相对最小,通过表6可得权重A2=(0.283,0.269,0.242,0.206)。第一层进行的自上而下的成对比较,具体数值如表5所示。第二层进行的自上而下的成对比较,具体数值如表6所示。

表5 第一层因素权重模糊集

表6 第二层因素权重模糊集

3.3 建立评判集

从这四种方案中选取一种最优方案作为最终优化方案,所以评判集可以简单表示,如式(3)所示。

式中,V1为方案Ⅰ;V2为方案Ⅱ;V3为方案Ⅲ;V4为方案Ⅳ。

3.4 评估指标的量化

在评估以下三个指标中,对构件加工、装配以及涂装的要求可以跟实际建造拼装式起重船的船厂相结合,认为方案Ⅲ不管从加工、装配还是涂装都比较简单,而方案Ⅰ和Ⅱ通需要增设舱壁结构,增加加工装配等焊接工作量,相对复杂一点,方案Ⅳ从首尾浮箱整合角度出发认为建造工艺要求最高,而涂装技术跟方案Ⅲ没有太大变化。因此,可得到模糊权重集如表7所示。

表7 评估指标量化

通过参阅相关资料可以总结出相关统计函数。以实际数值、最大允许值和相关统计公式的方式,分别对其余三项指标给予简单数值化,具体如表8所示。

表8 三项评判指标

3.5 第二层因素权重模糊集

拼装式起重船的船体安全性、工艺性、经济性的指标如表9所示。

表9 安全性、工艺性、经济性的指标

将表9中设计到u1,u21,u3的具体的数据放到表8所要求的各种统计公式函数中,这样可以得到不同指标下的数值。结合前面表7的计算结果,得到安全性、工艺性(切割长度)以及经济性参数的评判模糊集。最后得到第二层因素权重模糊集,如式(4)所示。

3.6 第一层因素权重模糊集

同理可以得到第一层因素权重模糊集,如式(5)所示。

通过Fuzzy综合评判理论计算,得到了最终因素权重模糊集B,其中方案Ⅳ的值最大,说明方案Ⅳ对拼装式起重船整体的性能最为理想。

4 结束语

本文主要基于110t起重船的基础上,在两侧增设首尾浮箱后研究整体的结构性能。同时针对起重船发展现状和工程背景,对110t拼装式起重船的结构性能进行深入的研究分析。通过对拼装式起重船浮箱的研究,可以得出比较优良的浮箱结构。这种结构不仅加强了起重船本身的强度,也提高了船舶的稳性和抗沉性,进而也为起重船进行高难度施工作业提供有力保障。

[1]王淑平,王波.3000t海上运架梁专用起重船结构设计[J].船舶设计通讯,2006(2):48-51.

[2]张志明,徐丹铮,张超,等.大型起重船船型开发的若干技术问题初探[J].船舶,2005(1):10-15.

[3]张永昌.MSC NASTRAN有限元分析理论基础与应用[M].北京:科学出版社,2004.

Research on the Structural Strength of the 110t Assembled Floating Crane as well as the Assembling Optimization of the Floating Box

LI Ai-hua
(School of Ship,Oceanic&Architectural Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)

Based on a study of the structure performance of the floating boxes installed on both flanks of a certain 110t assembled floating crane,this article puts forward four rectification measures as well as makes a comprehensive evaluation of its assembling optimization in combination with the FUZZY theory.

Assembled floating crane;Structural strength;Floating box;Finite element;FUZZY theory

U674.35

A

1671-9891(2014)03-0030-05

10.3969/j.issn.1671—9891.2014.03.009

2014-04-25

李爱华(1968—),男,江苏如东人,上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院硕士生。

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