计及日照温差作用的坐坞舰船结构响应分析

引用格式：李陈峰,王庭策, 唐涛, 等.计及日照温差作用的坐坞舰船结构响应分析[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(2): 82–87. LI C F, WANG T C, TANG T, et al. Structural response analysis of docking naval ship accounting for temperature variation due to sunshine[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15

李陈峰，王庭策，唐涛，张志超，任慧龙，周学谦*哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

摘 要:［目的］由于坐墩、日照温度变化等因素的影响，水面舰船在建造和维修期间将产生整体和局部的响应与变形，一方面影响船体的建造精度和安全性，另一方面还将影响相关武备系统的标定与校准。［方法］考虑日照温差的影响，基于有限元法开展坐坞舰船结构响应与变形分析方法研究。［结果］以一型水面舰船为例，根据墩木布置原则建立全船坐坞有限元模型，并根据现场实测温度数据，完成了日照温差作用下坐坞舰船结构响应与变形预报，计算结果揭示了舰船坐坞期间出现“荷叶变形”现象的原因。［结论］研究成果对于坐坞状态下舰船舰载武器系统和航空保障系统的校准具有重要参考价值。关键词：舰船；坐坞；日照温差；结构变形；有限元法中图分类号: U661.43 文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185. 01812

船舶建造和维修期间，由于焊接、坐墩、吊装、设备上舰、负载改变以及日照温度变化等因素的影响，结构变形不可避免形预报与控制，是一个国家造船工业的核心技术，也是世界性难题。相较于民用船舶，水面舰船建造期间的结构变形不仅会影响其建造精度和质量，还会影响舰载武器系统及航空保障系统的校准，进而直接影响舰船的战斗力对于坐坞船舶的结构响应分析，目前常用的方法有基于梁理论的解析方法和基于结构有限元模型的有限元法。其中，解析法将坐坞船舶简化为具有一系列弹性支座的变截面梁衡和变形协调，求解坞墩反力和船体梁整体变形，其计算原理明确、方法简单易行，但无法有效预报结构的局部变形与应力。程远胜等 采用解析法开展了船体变形和坞墩反力分析，并在此基础上开展了墩木布局优化设计。有限元法通过建立船体或者舱段的结构有限元模型，精确地模拟船体重量分布和坞墩布置，可以全面掌握坐坞状态下船体结构的变形与应力状态、以及支墩反力等信息。针对国内现有舰船规范不适用于船长大于 160 m的舰船的坐坞强度校核问题，王福花等开展了大型水面舰船坐坞强度衡准研究，并采用有限元法完成了某舰坐坞状态下的船体结构与墩木强度分析。粟京等 采用有限元法开展了半潜式钻井平台大型模块坞墩布置方案研究。上述研究主要针对船舶坐坞状态下坞墩布置及其对船体结构强度的影响，对于影响坐坞船舶结构响应的其他因素暂未考虑。目前，国内承担水面舰船建造和维修任务的绝大多数船坞都是露天船坞，坐坞舰船时刻会受到日照温度应力的影响。根据某大型水面舰船坐坞期间的实测发现，日照温差和温度分布不均会导致该舰出现明显的“荷叶变形”现象，早晚呈收缩状、中午呈伸展状。但目前考虑坐墩及日照因素耦合作用下船体结构应力与变形的研究几乎空白，仅在一些特殊船舶，例如 LNG船、沥青船等的研究中考虑了温度载荷对结构响应的影响期间由这类耦合因素引起的变形对舰载武器系统和航空保障系统的校准影响非常大，故有必要开展日照温差作用下坐坞舰船结构响应与变形的研究。本文将考虑坐坞载荷和日照温度载荷的共同作用，基于有限元法开展坐坞舰船结构响应与变形分析方法研究。以一型水面舰船为例，建立全船有限元模型，开展日照温差作用下坐坞舰船结构响应与变形预报，以揭示舰船坐坞期间出现“荷叶变形”现象的原因，为坐坞状态下舰载武器系统和航空保障系统的校准提供参考。

为保证船舶坐坞强度并控制坐坞变形，坞墩布置的一般原则如下1） 墩木应布置在船底横向与纵向强构件的交叉处。2） 墩木在纵向大接缝处应沿纵向布置，在横向大接缝处应沿横向布置，且与大接缝处的距离应大于 0.4 m。3） 由于艏部和艉部距离基线高度较大，通常布置可以活动的墩木。艏艉部坞墩设置成钢箱梁或者钢支架，上部采用松木墩木与船体接触将坐坞船舶简化为具有一系列弹性支座的变截面梁，如图1所示，其弯曲微分方程可写为

V(1)

式中： 为材料的弹性模量； 为梁惯性矩； 为梁基于有限元热力耦合分析方法，开展计及日照温差作用的坐坞舰船结构响应分析。温度载荷以温度场的形式施加到结构上。主要考虑热传导的影响，并通过钢材相关热物理参数的设置，部分考虑热辐射和热对流的影响。温度载荷在船体结构中的传递一般包括热传导、热对流和热辐射

式中：

(2) ； 为导热面积； 为不同

热对流以牛顿冷却公式表达，其计算公式为(3)

以一型水面舰船为例，开展日照温差作用下坐坞变形与结构响应分析。目标船船长为120 m，型宽 14.4 m ，型深 15.8 m ，结构重量 1 215 t ，全船有限元模型如图2所示，材料主要的热物理参数如表1所示。