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艙口蓋是船舶貨艙開口的關(guān)閉裝置，肩負(fù)著密封艙口、保護(hù)貨物和支撐平臺的重要作用。由于在船舶營運(yùn)過程中，艙口蓋將承受貨物和甲板上浪等外部載荷，這就要求其必須具有足夠的強(qiáng)度，鑒于此，各大船級社規(guī)范都對船舶艙口蓋的強(qiáng)度校核提出了計算要求。近些年來，隨著艙蓋設(shè)計技術(shù)和構(gòu)造形式的變化，原有的經(jīng)驗(yàn)公式和簡單計算方法己經(jīng)無法滿足艙蓋設(shè)計的發(fā)展，而有限元強(qiáng)度分析方法由于其可以方便地處理較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且計算結(jié)果直觀，精度較高，在艙蓋的設(shè)計中能有效地控制重量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，因此得到了廣泛運(yùn)用。
本研究基于CCS《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范2012》中關(guān)于船舶艙蓋強(qiáng)度計算的要求，介紹了艙蓋有限元分析的流程，并結(jié)合實(shí)船算例，探討了船舶艙蓋設(shè)計優(yōu)化的方法。
有限元模型的建立應(yīng)基于結(jié)構(gòu)的形式。艙蓋一般采用縱橫結(jié)構(gòu)形式，以縱骨架式的艙蓋為例，其艙蓋載荷作用于頂板，主要由縱骨承受并傳遞到強(qiáng)橫梁上，強(qiáng)橫梁再通過強(qiáng)縱析傳遞到兩端支撐結(jié)構(gòu)，最后將力傳遞到甲板艙口圍上。
使用大型有限元軟件MSC.Patran建立模型，建模原則根據(jù)CCS《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范2012》關(guān)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計算的要求進(jìn)行。三維有限元模型應(yīng)能夠準(zhǔn)確描述艙蓋的幾何形狀，模型中所有的板，包括強(qiáng)橫梁和強(qiáng)縱析的腹板和面板，應(yīng)采用板單元模擬，并盡量減少使用三角形單元，特別是在結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域避免采用三角形單元，橫梁和縱骨等普通扶強(qiáng)材一般使用梁單元模擬。模型網(wǎng)格的大小應(yīng)根據(jù)普通扶強(qiáng)材的間距來確定，盡量采用比較方正的單元模擬，強(qiáng)橫梁和強(qiáng)縱析等主要支撐構(gòu)件的腹板在高度方向上應(yīng)至少分布3個單元，板單元的長寬比不得大于3。
邊界條件的設(shè)置對計算結(jié)果有很大的影響，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作情況來合理地確定有限元模型的邊界。因?yàn)榕摽谏w是放置于艙口圍板之上，由支撐塊、限位塊和鎖緊裝置對其進(jìn)行固定，所以邊界條件應(yīng)根據(jù)這些裝置的布置情況對艙蓋模型施加約束。一般情況下，按照船體坐標(biāo)系，支撐塊處應(yīng)約束Z方向的線位移，橫向限位塊應(yīng)約束Y方向的線位移，縱向限位塊應(yīng)約束X方向的線位移。當(dāng)然，在艙蓋的設(shè)計中，限位支撐裝置往往會出現(xiàn)縱橫向限位
塊或者支撐塊兼限位塊等情況，這就要按照實(shí)際情況對艙蓋施加以上三種約束的組合。
有一些設(shè)計人員在艙蓋強(qiáng)度計算中，將整個艙蓋的側(cè)板下沿都施加了Z方向約束，這會使計算結(jié)果的應(yīng)力水平偏小，特別是在支撐塊處的應(yīng)力下降得特別明顯，從而使結(jié)果更容易符合規(guī)范的要求。然而，這種邊界條件的設(shè)置實(shí)際上是不正確的，也符合艙蓋工作的原理。一般情況下，艙蓋的風(fēng)雨是通過安裝在其側(cè)板下沿的橡膠圈與艙口圍的接來保持固定，橡膠圈在彈性范圍內(nèi)受到彈性力擠以確保艙蓋與艙口圍間無間隙，這個擠壓力不能大，否則橡膠圈在艙蓋的擠壓力作用下會受到破壞失效，因此設(shè)計過程中，要求艙蓋的支撐由支撐來承擔(dān)。實(shí)際上，相對于支撐塊的支撐力作用，橡圈處的彈性力很小，可以忽略不計，所以有限元模的Z方向約束應(yīng)僅施加在支撐塊位置處。
艙蓋有限元計算的載荷一般包括均布載荷和中載荷。以普通集裝箱船艙蓋為例，一般應(yīng)計算雨載荷工況和集裝箱載荷工況。其中風(fēng)雨載荷根。規(guī)范要求值，以均布載荷的方式施加在艙蓋頂板士集裝箱載荷根據(jù)集裝箱布置情況以集中力的方式加在集裝箱箱角位置，其大小應(yīng)根據(jù)艙蓋的設(shè)計用堆重和箱角布置情況來確定。
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