56m浮箱式坞门结构设计毕业论文

2020-02-18 12:02

摘要

近年来，随着我国造船技术显著提升，船舶修建朝着大吨位、高质量方向不断发展。船坞，作为修建大型船舶不可或缺的基础设施，需求量也在与日俱增。坞门部分处于外海与坞室交界处，闸门质量好坏，直接影响到船坞的完整性与稳定性，更影响到船舶的修建。为保证船坞正常使用，对坞门部分进行结构设计显得尤为重要。浮箱式坞门造价低、施工方便，在实际工程中应用广泛，因此，对浮箱式坞门进行结构设计具有重要的现实意义和应用价值。

本论文根据《干船坞设计规范》，对56m浮箱式坞门进行结构设计。设计包括坞门的分舱与布置，对坞门的主甲板、开孔平台板、压载水舱甲板、泵舱甲板、底板、舷侧板、水密舱壁板分别进行骨材和板材的设计，设计完成后进行强度校核。通过CAD绘制坞门的基本结构图、各甲板结构图、主要横剖面图等。在此基础上，运用有限元方法，通过计算软件Patran建立坞门的有限元模型，施加边界条件及荷载，对浮箱式坞门进行应力校核，模拟其真实的受力状态，提高结构设计分析的精确度与效率，缩短设计周期，为坞门结构设计提供新的思路。

关键词：浮箱式坞门；有限元；结构设计；结构强度

Abstract

With the remarkable improvement of shipbuilding technology in China, the construction of ship is developing towards large tonnage and high quality in recent years. Shipyards, as an essential infrastructure for building large ships, are also increasing the demands. The dock gate is located at the junction of sea and dock. The quality of gate directly affects the integrity and stability of dock and the construction of ship. In order to ensure the use of dock, it is very important to design the structure of dock gate. The floating dock gate is widely used in practical engineering because of its low cost and convenient construction. Therefore, the structural design of floating-box dock door has important practical significance and application value.

This paper, based on the Design Code of dry Shipyard, designs the structure of 56m floating box dock gate. The design includes the subdivision and arrangement of the dock gate, and the steel beam and plate design of the main deck, the open platform plate, the ballast tank deck, the pump tank deck, the bottom plate, the side plate and the watertight bulkhead plate of the dock gate are carried out respectively, and the strength of them are checked after the design is completed. The basic structure diagram, deck structure diagram and main cross section diagram of dock gate are drawn by CAD. On this basis, the finite element model of dock gate is established by using finite element method, and applies the boundary condition and load, then check the stress of floating box dock gate and simulate its real stress state. It improves the accuracy and efficiency of structural design analysis, shortens the design period, and provides a new way of dock gate structure design.

Key words: floating dock gate; finite element method; structure design；structure strength

第一章绪论 1

1.1 国内外研究现状 1

1.2 研究目标 2

1.3 研究内容 2

第二章主尺寸及其系数 3

2.1 基本尺寸的确定 3

2.2坞门重量 3

2.3 坞门轻载吃水 3

2.4 坞门总布置 3

2.4.1 坞门分层与分舱 4

2.4.2 水舱总体积 4

2.5 钢材的选用 5

2.6 骨材设计 6

2.6.1 甲板骨架 6

2.6.1.1 主甲板骨架 6

2.6.1.1.1 主甲板计算压头 6

2.6.1.1.2 主甲板强横梁 6

2.6.1.1.3 主甲板纵桁 7

2.6.1.1.4 主甲板纵骨 7

2.6.1.2 开孔平台板骨架 8

2.6.1.2.1开孔平台板计算压头 8

2.6.1.2.2开孔平台板强横梁 8

2.6.1.2.3 开孔平台板纵桁 8

2.6.1.2.4 开孔平台板纵骨 8

2.6.1.3 压载水舱甲板骨架 9

2.6.1.3.1 压载水舱甲板计算压头 9

2.6.1.3.2 压载水舱甲板强横梁 9

2.6.1.3.3 压载水舱甲板纵桁 9

2.6.1.3.4 压载水舱甲板纵骨 9

2.6.1.4 泵舱甲板骨架 9

2.6.1.4.1 泵舱甲板计算压头 9

2.6.1.4.2 泵舱甲板强横梁 10

2.6.1.4.3 泵舱甲板纵桁 10

2.6.1.4.4 泵舱甲板纵骨 10

2.6.1.4.5 泵舱甲板支柱 10

2.6.2 底板骨架 11

2.6.2.1 底板肋板 11

2.6.2.2 底板中龙肋骨 12

2.6.2.3 底板旁龙肋骨 12

2.6.2.4 底板普通纵骨 12

2.6.2.5 底板支柱 13

2.6.3 舷侧骨架 13

2.6.3.1 舷侧水平桁 13

2.6.3.2舷侧普通纵骨 14

2.6.3.3舷侧强肋骨 15

2.7 水密舱壁板骨架 15

2.7.1水密舱壁板水平桁 15

2.7.2水密舱壁板普通纵骨 15

2.7.3水密舱壁板强肋骨 16

2.8 板材的设计 19

2.8.1 底板 19

2.8.2 舷侧板 19

2.8.3 主甲板 20

2.8.4 开孔平台板 20

2.8.5 压载水舱甲板 20

2.8.6 泵舱甲板 20

2.8.7 水密舱甲板 21

2.9 本章小结 21

第三章结构强度校核（容许应力法） 23

3.1 结构材料特性 23

3.2坞门水压力 23

3.2.1坞门所受最大静水压 23

3.2.2不同位置载荷 23

3.2.2.1 坞门各层高度 23

3.2.2.2 舷侧位置荷载 24

3.2.2.3 压载舱平面和泵舱平面荷载 24

3.3 坞门板格校核标准 25

3.3.1 区格选取（01区格） 25

3.3.2板的有效宽度 25

3.3.3 整体弯曲应力 26

3.4 外板弯曲应力验证 27

3.4.1 弯曲应力系数 27

3.4.1.1 系数Kc、Kd取值 27

3.4.1.2 系数η取值 27

3.4.2 弯曲应力验证 29

3.4.3 受弯构件校核 30

3.5 其他区域统计表 30

3.6 本章小结 33

第四章坞门强度有限元分析 34

4.1 概述 34

4.2结构模型 34

4.2.1坐标系 34

4.2.2单元划分 34

4.2.3网格尺寸 34

4.2.4 坞门材料参数 35

4.2.5 单元属性 35

4.2.5.1 板单元属性 35

4.2.5.2 梁单元属性 35

4.2.6 模型分组 37

4.2.7 边界条件 40

4.3 计算工况 40

4.4 荷载 40

4.4.1 水压力 40

4.4.2 压载水舱水压力 41

4.4.3 结构自重 42

4.4.4 固定压载 42

4.4.5 上甲板水压 43

4.5 强度评估 43

4.5.1 应力校核 43

4.5.2位移校核 44

4.6有限元校核结论 45

4.7 本章小结 45

第五章总结与展望 46

5.1 本文总结 46

5.2 展望 46

第一章绪论

随着我国造船技术显著提升，船舶修建朝着大吨位、高质量方向不断发展。船坞需求量也在与日俱增。坞门部分处于外海与坞室交界处，为保证船坞正常使用，对坞门部分进行结构设计显得尤为重要。浮箱式坞门形态为船型，使用时先采用电动水泵排水使其上浮，再将其拖曳至坞口部分预定位置，灌水使其下沉。浮箱式坞门造价低、施工方便，在实际工程中应用广泛，因此，对浮箱式坞门进行结构设计具有重要的现实意义和应用价值。

1.1 国内外研究现状

传统的船坞设计规范主要是通过人工进行结构分析计算，计算量大且精度低，检测手段主要是模型实验，但模型实验测量数据与实际数据相比仍存在较大误差。目前，国内外开始尝试使用电脑软件（如有限元软件ANSYS、三维建模软件SolidWorks等）对船坞闸门进行结构、强度及稳定性分析，但是大多是进行尝试，还没有形成一个较成熟且规范的方案。目前，国内外对坞门进行了以下研究。

黄履^[1]在《船坞闸门设计》一书中，主要介绍了浮箱式闸门的结构设计和稳性计算方法，并通过实际例子介绍设计计算的具体方法与步骤。荒古俊司^[2]在《大型船坞的结构设计与施工》中探讨了坞门水压在坞门结构设计中的重要性，比较了坞门水压的理论计算值和实际值，得出超大型船坞闸门不能使用简化的公式计算水压的结论。南毅^[3]在《万吨级注水式船坞浮箱式坞门设计浅析》中介绍了坞门的设计过程、坞门工作过程，并进行了稳性计算。

李建^[4]在《干船坞气控式坞门的参数化建模与优化》探究了坞门数字化仿真模型的建模方法，对建好的模型进行参数化，并在ADAMS中进行了系统动力学分析，完成了在坞门起浮过程中起浮倾角的仿真曲线，为之后的坞门参数化建模与分析提供思路和优化依据。王玮^[5]在《浮箱式坞门参数化设计》中基于参数化设计的理论，在SolidWorks上采用VB编程语言，开发出适用于浮箱式坞门的参数化设计系统，提高设计速度，改善设计质量。江苏科技大学李永祥^[6]等人在《干船坞浮箱式坞门结构强度的有限元分析》中，对浮箱式坞门在极端高水位和低水位工况下进行了有限元分析，为大跨度坞门的设计提供工程参考。

蒋梦嫣^[7]在《大型浮箱式坞门工作状态下的横稳性分析》中对浮箱式坞门在漂浮状态、下沉状态、起浮状态时横稳性分别进行分析，并根据分析结果给出了坞门设计优化建议。南彦波^[8]在《自动下沉浮箱闸门设计探讨》中介绍了自动下沉浮箱闸门的闸门布置、工作原理及运行时的受力计算。

Oktoberty^[9]在《Dry Dock Gate Stability Modelling》中介绍了干船坞闸门的结构特性和工作原理，并结合Maxsurf 软件和Hydromax软件对闸门在不同加压条件及压载舱漏水情况下闸门稳定性进行研究。Bogdaniuk^[10]在《Design of Inner Gate for CRIST Shipyard Dry Dock》中对干船坞内门进行设计，并运用有限元方法对内门强度进行分析。

由于传统的坞门设计与检测存在不足，通过有限元方法，对研究对象进行有限元建模，在此基础上分析其结构强度，能够提高结构分析的精度，加快结构设计的速度，因此具有重要的实际工程研究价值。

1.2 研究目标

对浮箱式坞门进行结构设计，通过对浮箱式坞门骨材、板材进行选择,了解进行设计的过程,掌握浮箱式坞门设计方法。

运用CAD绘制浮箱式坞门基本结构图、各层甲板结构图和典型横剖面图等，使浮箱式坞门结构清晰、明确，制图应满足规范要求。

通过建立有限元模型，模拟浮箱式坞门真实的受力状态，提高结构设计分析的精确度。运用有限元分析软件校核结构应力与位移，验证结构设计的合理性，同时根据结构实际受力情况和环境条件变化及时修改设计方案，更加快速高效的设计出满足强度要求的坞门结构，缩短设计周期，提高设计效率，为坞门结构设计提供新的思路与方法。

1.3 研究内容

（1）对56m浮箱式坞门进行结构设计。以《干船坞设计规范》为规范依据，对浮箱式坞门进行分舱布置，设计浮箱式坞门的骨材、板材，并用容许应力法进行强度校核，保证其正常使用。

（2）运用CAD绘制坞门结构图。主要包括基本结构图、各层甲板结构图和典型横剖面图等，清晰明了的展示浮箱式坞门结构特征，骨材、板材的布置位置，便于施工。

（3）运用Patran 建立有限元模型，对结构施加荷载，模拟浮箱式坞门在极端状态的受力特点，并运用有限元软件进行应力位移校核，对结构进行强度分析。

第二章主尺寸及其系数

2.1 基本尺寸的确定

根据计算书要求：