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基于NAPA的浮箱载船系统支墩力参数化计算方法

来源:独旅网
第25卷第3期 江苏科技大学学报(自然科学版) Vo1.25 No.3 2011年6月 Journal of Jiangsu University of Science and Technology(Naturla Science Edition) Jun・201 1 基于NAPA的浮箱载船系统支墩力 参数化计算方法 谢云平,刘 钊,姚诚钰 (江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003) 摘要:在浮箱载船下水过程中,下水船对浮箱的作用力通过支墩传递,对于某一既定的浮箱,由于所承载的下水船舶自身 重量及分布的不确定、支墩布置方案的不确定、下水船与浮箱间的相对位置不确定等因素的影响,支墩力的计算很复杂,支 墩力的计算是浮箱载船下水过程一系列计算的关键环节.通过对整个浮箱载船系统进行分析,采用一维理论计算模型,将 下水船用一维变截面梁模拟,支墩用单向压缩弹簧模拟,浮箱用一维等截面梁模拟.基于矩阵位移法,以NAPA软件为平 台,用NAPA Basic语言编制支墩力参数化计算程序,快速、准确的计算各支墩的支墩力,为分析浮箱的纵向强度、浮态提供 保证. 关键词:浮箱;NAPA Basic语言;支墩力;参数化 中图分类号:U661.43 文献标志码:A 文章编号:1673—4807(2011)03—0205—04 Computational method of reaction force of pontoon system during ship launching based on NAPA Xie Yunping,Liu Zhao,Yao Chengyu (School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhe ̄iang Jiangsu 212003,China) Abstract:When ship launching,reaction force from launching ship to pontoon is transmitted by blocks.As for a ifxed pontoon。the calculation of reaction force iS very complex because the self weight and its distirbution of launching ship is uncertain,the block layout scheme is uncertain,and the relative position between launching ship and pontoon is uncertain.the block layout scheme is uncertain,and the relative position between launching ship and pontoon is uncertain.Therefore,its calculation is key.By analyzing the ship launching and adopting 1一 D theory computing model,using 1-D non-uniform beam simulates the launching ship,using uniaxial compress. ing spring simulates block,and using 1一D uniform beam simulates pontoon in this study.Moreover,parametric computational program is written by NAPA Basic language with the method of matirx displacement and the plat. ofrm of NAPA software.The program can compute the reaction force quickly and accurately.Also,it may pro— vide assurance for analyzing the longitudinal strength and floating condition of pontoon. Key words:pontoon;NAPA Basic language;reaction force;parametric 船舶下水方式有很多种,从下水设施上可以分 浮,并脱离浮箱¨ .浮箱在载船下水的过程中,如 为船台下水、船坞下水和浮箱下水3种.浮箱载船 果某一支墩受力过大,很容易产生该区域变形过 下水过程可以分为:①用船台小车把船舶移到 大,危及浮箱结构的安全,支墩的受力分析已经引 坞阶的浮箱上,然后落墩、撤掉全部船台小车; 起有关研究者的关注.文献[2]建立了船舶坐墩墩 向坞内注水使抬船浮箱起浮,调整浮箱浮态;③ 木布局及尺寸优化设计的数学模型,用分级优化方 浮箱横移到下坞阶上方,排出坞水;④打开浮箱通 法来求解,外层采用遗传算法确定墩木最佳位置, 海阀,向坞内注水直到与海平面持平,下水船舶起 内层采用序列二次规划方法确定墩木最佳尺寸.文 收稿日期:2010—10—19 作者简介:谢云平(1964一),男,江苏镇江人,研究员,研究方向为船舶设计.E-mail:xyp—ECSI@sohu.corn 206 江苏科技大学学报(自然科学版) 第25卷 献[3]指出了传统坐墩墩反力计算方法存在的问 题,讨论了墩木刚性对船体结构安全性的影响,提 出了墩木设置的一般原则.文献[4]利用ANSYS 有限元计算方法,确定支墩墩木反力在浮箱举船下 水变形后纵向分布情况,提出了计算模型中的墩木 反力加载技术,并通过实船进行验证,具有一定的 工程实用价值和参考价值.文献[5]在分析浮箱载 船下水力学模型的基础上,基于矩阵位移法对浮箱 载船下水进行分析,并利用VB语言编制了浮箱载 船下水程序,实现了下水过程支墩力的快速计算, 同时还采用程序编制各种界面,对浮箱载船下水过 程各种性能曲线进行计算分析.NAPA软件主要适 用于各类船舶初步设计和基本设计,可以用来计算 各种船舶性能并生成完工文件,同时还为用户提供 部分语句、表格计算、变量和数组定义等功能,用户 可以自己编写程序或调用参数.基于船舶设计NA. PA软件平台,使用NAPA自带的NAPA Basic语 言,以载船浮箱为研究对象,编制一套完整的浮箱 载船支墩力计算通用程序,实现该语言对支墩力求 解的参数化计算,为建立参数化浮箱模型以及后续 一系列计算做准备 J.与上述方法相比,该软件的 最大优点是采用NAPA Basic语言参数化计算支墩 力的同时,还充分利用里面的命令和功能模块,系 统将自动生成各种性能曲线,具有快捷、准确、方便 的特点,提高计算效率. 1计算原理与方法 1.1建立理论计算模型 就整个浮箱载船系统而言,下水船舶、支墩、浮 箱及海水是一个相互约束的系统,为了简化计算, 将船体用一维变截面梁模拟,浮箱模拟成两端自由 支持的弹性基础梁,由于典型浮箱横剖面为长方 形,弹性基础的等效刚性系数…k=pgB(P为水密 度, 为箱宽度,g为重力加速度),支墩用具有一 定刚度的弹簧模拟(其刚度值为相应横剖面的等 效刚度),并建立合适的坐标系(图1). 船体梁 图1 浮箱载船下水理论计算模型 Fig.1 Theoretical computational model of pontoon during ship launching 1.2计算原理 对上述变截面船体梁根据变截面的数量将其 拆开,然后对每一等截面船体梁根据上面主要载荷 的位置和支墩布置位置进行进一步离散,分别对离 散后的各单元及两端的节点编号 ,根据船体梁、 浮箱与支墩间的变形协调关系,建立平衡方程,形 成如下形式的 元一次方程组 1 12 KlJ 61 尸1 K2 K2 2 P2 : ● : ● : ● t Pi : ● ● : : ● 1 K砣 6 P 1.3弹性支座的处理 由于下水船与浮箱的相互作用力通过支墩传 递,在理论计算过程中,支墩用弹簧模拟,对于第i 个支墩处,有 161+K『262+…+^ 6 +…+ 6 =Pf一 6 将 移至左边相应项,有 1占1+Kl,2 2+…+(磊 +k )6 +…+ m6 :P 该方程组每行最多只有6个非零元素,第n行通过 n一1轮迭代,经NAPA编程,采用高斯消去法转换 成上三角矩阵,然后逐个求出. 1.4方程组求解 对于n元一次方程组,求解方法很多.为了实 现计算机程序化,采用高斯消去法转换成上三角矩 阵,然后逐个求出各支墩处的相对挠度. 采用NAPA Basic语言编程时,高斯消元法消 元公式需对每一个迭代次数h进行一次迭代计算. 首先,需对整体刚度矩阵中每一行的元素定义其类 型(一般为实数),而且每迭代一次,需重新定义上 次所迭代元素的类型,计算程序很复杂,但具有一 定的规律性.例如,当h=1时,只需对2,3,4行进 行迭代,其它所有元素均保持不变,当h=2时,在 第一次迭代的基础上,对第3,4行相应元素进行迭 代,按照此规律进行扩展. 2参数化计算方法 2.1浮箱载船系统参数的确定 参数化计算能够解决常规方法中效率低以及 难以修改等问题,在许多领域已经得到广泛应 用 8 J.目前,许多船厂和研究所都采用TRIBON, NAPA,ANSYS,CADDS5等软件编制程序实现参数 化.浮箱载船系统参数化计算是指输入所有相关已 第3期 谢云平,等:基于NAPA的浮箱载船系统支墩力参数化计算方法 207 知条件,通过程序实现支墩力的输出. 浮箱载船下水系统中考虑到下水船的不确定 6)确定接触状态(相对挠度 <初始间距占。 时 ,支墩组合刚度k=不同支墩处的刚度k ,否 则k=0),增量迭代; 7)下水船、浮箱挠度计算模块; 性、相互间耦合作用分析计算的复杂性、浮箱纵向 变形与其浮力分布的关联性、安全评估系统的通用 性,对以下几方面给予“参数化”分析考虑: 8)支墩力计算模块; 9)输出模块. 1)下水船参数化:重量纵向分布、剖面几何特 性、肋距等; 2)位置参数化:下水船与浮箱纵向相对位置、 支墩位置; 3)浮箱几何模型参数化:浮箱型值垂向坐标 与纵向变形或挠度. 2.2计算流程及模块组成 整个程序思路主要分为如下几个功能模块,其 计算流程如图2. 1)已知条件输入模块; 2)单元固端剪力、弯矩计算模块(各单元视为 两端刚性固定); 3)整体刚度矩阵形成模块(将各单元刚度矩 图2支墩力计算流程 Fig.2 Flow chart of block s reaction force calculation 阵按照“对号入座”法则依次对号入座,形成整体 刚度矩阵对应的方程组); 4)弹性支座处理模块(将含有弹性支座的项 移到整体刚度矩阵对应的位置); 3 实例验证 文中以某大型散货船为验证实例,该船吨位 大,结构复杂,具有典型代表性.支墩力,计算结 果见表1. 5)高斯消元法求解模块; 表1不同支墩处支墩力分布 Table l Distributions of force at di仃erent buttress 支墩号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 支墩力F/t 277.01 243.64 214.91 183.91 165.31 149.77 136.25 123.93 l12.34 10o.69 306.98 75.32 239.71 支墩号 2O 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 支墩力F/t 206.34 198.74 182.49 171.16 163.72 156.23 151.93 150.55 151.57 154.55 159.46 165.88 172.48 支墩号 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 支墩力F/t 120.11 245.33 148.16 167.16 166.94 164.93 163.92 165.56 170.28 177.24 l84.2O 181.82 172.04 支墩号 58 59 60 61 62 63 4 665 66 67 68 69 70 支墩力 t 147.34 146.54 143.87 139.04 132.35 125.07 114.94 221.03 133.26 181.53 107.52 134.86 59.93 14 15 16 17 157.91 143.19 135.86 123.96 33 34 35 36 176.65 162.18 144.69 238.O9 52 53 54 55 161.69 152.81 147.23 145.53 71 72 73 74 70.31 79.22 86.67 92.64 l8 l9 l13.01 219.29 37 38 117.73 213.28 56 57 146.12 146.93 75 76 97.75 102.64 支墩力总和/t 下水船总重量/t 11 905.22 11 920.3 相对误差0127% .208 江苏科技大学学报(自然科学版) 第25卷 将上述计算结果用柱状图形式表示,并与其他 Sun Xiaoling,Zhang Shilian.A simplified analyzing method for overall longitudinal strength of pontoon during 方法的计算结果(下水船、支墩、浮箱长度 均相 同)做比较(图3). ship launching[J].Sh/p Engineering,2008,30(4):15 —19.(in Chinese) [2]程远胜,游建军.船舶坐墩墩木布局及尺寸优化设计 [J].船舶力学,2004,8(2):63—70. IllIlI l0l蛐ll10l 删llIlI珊m 咄 Cheng Yuansheng,You Jianjun.Optimization of docking block placement and dimensions[J].Journ ̄d ofShip Me— 0 3O 6O 9O l2O l5O l8O 2lO L/m a)本文计算方法结果 3・5 2.8 毛2.1 1.4 O.7 ljlI Ill Illl IlllI IIll III IIⅢlIlI . 0 l0 50 9o,,130 1 70 210 L/m b)其他计算方法结果 图3支墩力柱状图比较 Fig.3 Comparison of block S reaction force column chart 4 结论 上述计算结果表明: 1)所有支墩力之和与下水船重量基本上一 致; 2)支墩力柱状图趋势一致,各支墩的支墩力 大小也比较接近. 由于简化的方法多少存在一定的差异,以及 NAPA Basic语言采用一维数组,误差还是存在的, 但在允许范围内. 支墩力计算是浮箱载船下水过程计算步骤的 一个关键环节,文中以NAPA软件为平台,对于下 水船舶,可以参数化计算出浮箱载船系统支墩力的 大小以及支墩处浮箱的挠度,然后用NAPA软件建 立浮箱参数化几何模型,快速、有效的进行后续一 系列计算. 参考文献(References) [1]孙晓凌,张世联.浮箱载船下水总强度的简化分析方 法[J].船舶工程,2008,30(4):15—19. chanics,2004,8(2):63—70.(in Chinese) [3]程远胜,曾广武.船舶坐墩墩反力的分析计算[J].华 中理工大学学报,1994,22(10):68—72. Cheng Yuansheng,Zeng Guangwu.The calculation of blocks reaction during ship docking[J].Jonrnal of Hua- zhong Unwe ̄ity of Science and Technology,1994,22 (10):68—72.(in Chinese) [4]张雪彪,林焰,纪卓尚,等.浮箱举船下水的结构强度 有限元分析方法[J].船舶力学,2004,8(6):l13一 l19. 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