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滾裝船是一種能裝載車輛或使用車輛裝卸集裝箱或托盤貨物的專用船舶，它裝載靈活，具有方便、快捷的特點(diǎn)，在中短途海上運(yùn)輸中發(fā)揮著重要作用。但滾裝船也具有穩(wěn)性差、綁扎要求高的特點(diǎn)；另外由于其裝載車輛的特點(diǎn)，對車輛甲板強(qiáng)度及總橫強(qiáng)度也提出了較高要求，滾裝船的安全性較普通船舶有著更高的要求。由此，于2002年對在渤海灣運(yùn)營的滾裝船進(jìn)行了車輛甲板強(qiáng)度及總橫強(qiáng)度的有限元分析工作。
本文對車輛甲板強(qiáng)度分析工作做一總結(jié)。對于象船舶這樣復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)，無法直接使用經(jīng)典的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法、彈性力學(xué)方法、板殼理論等進(jìn)行計(jì)算。雖然各船級社都有簡化的校核方法，但那是以精度為代價(jià)的。作為一種行之有效的數(shù)值方法，結(jié)構(gòu)有限元分析能更加確切地反映具體船舶結(jié)構(gòu)的特性和細(xì)節(jié)。而計(jì)算機(jī)硬件的迅猛發(fā)展也為這種計(jì)算提供了可能。本文采用著名的大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算。
對船體進(jìn)行有限元分析，必須首先建立有限元模型，它是根據(jù)船舶的結(jié)構(gòu)形式、受力情況、精度要求和計(jì)算的最終目的，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)和有限元知識，對實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，選用適當(dāng)類型的單元加以模擬而得出的模型。
由于是計(jì)算車輛甲板的局部強(qiáng)度，考慮到計(jì)算費(fèi)用和精度，甲板在縱向上取3個車長(按船舶預(yù)計(jì)裝載的最大車型)，上下各帶一部分舷側(cè)構(gòu)作為計(jì)算區(qū)段。
真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力分布狀態(tài)，甲板、外板、內(nèi)底板、縱橫艙壁，以及縱桁材、強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨等縱橫骨架的腹板和面板等按空間板殼計(jì)算，縱骨、普通橫梁、主肋骨、艙壁扶強(qiáng)材、加強(qiáng)筋等橫剖面尺寸較小的構(gòu)件取為三維梁單元，并作偏心處理。有限元網(wǎng)格的劃分應(yīng)根據(jù)計(jì)算目標(biāo)和精度的要求，過細(xì)會給建模和計(jì)算工作帶來困難，過粗又會使計(jì)算結(jié)果不能表達(dá)細(xì)部的變形和應(yīng)力。為了保證計(jì)算精度，節(jié)省計(jì)算時間，本文采用了變網(wǎng)格剖分技術(shù)。在應(yīng)力集中部位和應(yīng)力梯度較大的部位采用精細(xì)的小網(wǎng)格，以真實(shí)反映應(yīng)力集中:如甲板等部位。其它如舷側(cè)、縱艙壁、外板等應(yīng)力變化較緩的部位采用了較大的網(wǎng)格，并注意到不同網(wǎng)格尺寸的平緩過渡。圖1，圖2為其中一條船的局部單元網(wǎng)格圖。
由于是在整船中選取一部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，在切開處存在著彎矩、剪力、軸力等載荷，合理的做法是在切開處等效施加這些載荷。但因?yàn)楸疚氖欠治鲕囕v甲板的局部強(qiáng)度，應(yīng)用圣維南原理，一種替代的方法是在切開處根據(jù)實(shí)際情況施加約束(限制節(jié)點(diǎn)位移)。采用這種方法，在切開舷側(cè)的頂部、底部加上垂向和縱向(船長方向)約束，在切出部位前后兩端的甲板平面，限制其橫向(船寬方向)位移。
車輛甲板除受由于總強(qiáng)度引起的彎曲應(yīng)力外，主要承受車輛對其的作用和結(jié)構(gòu)自身的重量。車輛對其的作用是通過車輪施加的，這就造成車輛甲板受到的載荷不均勻。從整體上來說，車輛甲板承受的總載荷并不很大，但車輪下面的壓力很大，其它部位不直接承受載荷。所以車輪下面部分結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力都會很大。當(dāng)車輛甲板受到車輛作用時，會發(fā)生彎曲變形。支持它們的強(qiáng)橫梁、縱桁、縱骨、橫梁等也隨之彎曲，這是車輛甲板的主要變形。
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