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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(tái)的重要作用。由于在船舶營(yíng)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(jí)社規(guī)范都對(duì)船舶艙口蓋的強(qiáng)度校核提出了計(jì)算要求。近些年來，隨著艙蓋設(shè)計(jì)技術(shù)和構(gòu)造形式的變化，原有的經(jīng)驗(yàn)公式和簡(jiǎn)單計(jì)算方法己經(jīng)無法滿足艙蓋設(shè)計(jì)的發(fā)展，而有限元分析計(jì)算方法由于其可以方便地處理較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且計(jì)算結(jié)果直觀，精度較高，在艙蓋的設(shè)計(jì)中能有效地控制重量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，因此這種方法得到了廣泛的應(yīng)用。
本研究基于CCS《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范2012》中關(guān)于船舶艙蓋強(qiáng)度計(jì)算的要求，介紹了艙蓋有限元計(jì)算的流程，并結(jié)合實(shí)船算例，探討了船舶艙蓋設(shè)計(jì)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。
本研究使用大型有限元軟件MSC.Patran建立模型，建模原則根據(jù)CCS《國(guó)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(jì)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)縱析的腹板和而板，應(yīng)采用板單元進(jìn)行模擬，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?jiǎn)卧M。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(gè)單元，板單元的長(zhǎng)寬比不得大于3:1。
邊界條件的設(shè)置對(duì)計(jì)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(duì)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(duì)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(jì)中，限位支撐裝置往往會(huì)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(duì)艙蓋施加以上三種約束的組合。
有一些設(shè)計(jì)人員在艙蓋強(qiáng)度計(jì)算中，將整個(gè)艙蓋的側(cè)板下沿都施加了Z方向約束，這會(huì)使計(jì)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。
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