一种网架式箱体浮筏结构及其设计方法与流程

1.本发明属于船舶隔振结构技术领域，具体涉及一种网架式箱体浮筏结构及其设计方法。


背景技术：

2.船舶在航行过程中，由多台动力设备组成的动力系统会不可避免地给主体带来振动和噪声的影响。虽然在现有条件下无法做到完全消除结构的振动和噪声，但是为了使整个系统能够安全、稳定地工作，有必要将船舶的振动限制在可接受的范围内。
3.近三十年来，国内外在水下航行器减振降噪方面进行了大量的理论和试验研究，机械设备隔振系统设计从早期的单层、单向的简单隔振装置，发展到现在的多层、多向的空间立体浮筏隔振装置，隔振性能有了很大程度的提高。浮筏隔振是一种新型的较为复杂的隔振方法，其多用在对多台动力设备同时进行隔振且对安装环境及隔振效果有较高要求的工程中。浮筏隔振的主要原理为将多台机械设备通过隔振器安装在同一个筏架上，筏架与基座之间也通过隔振器进行连接，这样设备、筏架及基座就组成了一个多自由度多层次的隔振系统。浮筏隔振系统主要应用在船舶隔振工程中，其隔振性能要优于单层隔振系统和双层隔振系统的隔振性能。
4.传统的浮筏结构作为浮筏隔振装置的中间质量，一般采用平面板架式结构设计，其仅能够实现设备安装平台和衰减振动的作用，功能和结构型式单一。另一方面，传统浮筏隔振装置减振效果的实现主要依靠其“质量效应”，其减振效果与中间筏架结构的重量成正比，为了达到较好的减振效果，往往需要消耗较多的重量和空间资源。因此，需要寻求新的浮筏结构设计的方法，在实现筏架结构重量的轻量化的同时具备更加优异的减振效果。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种网架式箱体浮筏结构及其设计方法，通过将网架结构应用于传统浮筏结构设计，形成一种立体空间的网架式箱体浮筏结构。
6.本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
7.一种网架式箱体浮筏结构，包括网架结构、上面板、下面板和舱壁；所述网架结构是由横向、纵向及水平的平面桁架结构组成的空间立体框架结构；所述平面桁架结构是采用杆件连接形成的空腹格构式受弯构件，所述杆件包括弦杆、腹杆；所述上面板安装于顶部的水平平面桁架的上表面，所述下面板安装于底部的水平平面桁架的上表面；所述舱壁安装于网架结构内部，并与上面板和/或下面板连接。
8.上述方案中，所述舱壁采用由扶强材与舱壁板组成的平面舱壁。
9.上述方案中，所述网架结构、上面板、下面板、舱壁之间采用焊接的方式连接。
10.上述方案中，所述网架式箱体浮筏结构兼作为船舶舱室。
11.相应的，本发明还提出上述网架式箱体浮筏结构的设计方法，包括以下步骤：
12.s1、网架结构设计，包括
13.s1.1、基于各个杆件在网架结构的作用，选用合适的材料；
14.s1.2、基于隔振设计目标，设计网架结构型式；
15.s1.3、根据确定的网架结构型式，对杆件的包括杆长、截面形式以及长细比在内的参数进行设计；
16.s1.4、基于确定的杆件，进行节点设计；
17.s1.5、根据网架结构的实际使用环境，进行平面桁架结构的载荷设计，载荷应包括永久载荷和可变载荷；对于平面桁架结构，根据设计的载荷，基于内力分析进行平面桁架结构的截面强度、稳定性、刚度以及节点校核；
18.s2、板材设计，包括
19.s2.1、根据板材用途和板材所受载荷，选用合适的材料，所述板材包括上面板、下面板和舱壁；
20.s2.2、对面板进行设计，考虑面板上设备的重量，设计面板最大弯曲应力及挠度值应小于许用值；
21.s2.3、对舱壁进行设计，包括舱壁板的厚度及扶强材的尺寸设计，以及舱壁的布置与数量；
22.s3、浮筏整体校核，包括
23.对浮筏整体进行静力校核，包括正浮和倾斜状态校核，两种状态下结构的最大应力应小于材料的屈服应力；
24.对浮筏整体进行隔振校核，设计的网架浮筏在全频段的隔振能力应大于同等重量下的传统板架浮筏。
25.上述方法中，杆件材料和板材材料的选择范围为：16mn钢、q235、q345、q390、q420、q460钢。
26.上述方法中，步骤s1.2中，网架结构型式的设计包括确定平面桁架结构型式、网架高度、网格尺寸；所述平面桁架结构型式包括普拉特式桁架、华伦式桁架、芬克式桁架和拱形桁架。
27.上述方法中，步骤s1.4中，节点类型包括搭接k形、t形以及平面kt形；焊接的支管与主管的连接处尽可能避免偏心，若无法避免偏心时，其值不宜超过下式的限制：
[0028]-0.55≤e/d(或e/h)≤0.25
[0029]
式中e——偏心距；
[0030]
d——圆管主管外径；
[0031]
h——连接平面内的矩形管主管截面高度；
[0032]
钢管网架节点处多个支管搭接时，通过一定顺序选择被搭接管，在有间隙的k形或n形节点中，支管间隙应不小于两支管壁厚之和；在搭接的k形或n形节点中，其搭接率应满足25％≤ov≤100％，且应确保搭接部分的支管之间的连接焊缝能可靠地传递内力。
[0033]
上述方法中，步骤s2.3中，舱壁板的厚度和扶强材的剖面模数应符合规范要求；舱壁的布置与数量，通过浮筏内部空间来划分，在适当的位置选用纵舱壁、横舱壁或半舱壁，做到均匀布置，在满足强度设计的要求下，尽量减少舱壁的数量。
[0034]
上述方法中，步骤s3中，浮筏整体校核还包括对浮筏结构开展抗冲击校核，结构在
环境冲击作用下的应力响应应满足结构强度要求。
[0035]
本发明的有益效果在于：
[0036]
1、本发明的网架式箱体浮筏结构具有以下优点：
[0037]
1)可实现将筏架结构与舱室结构融合设计，可利用舱室舱壁扶强材的加强设计，有效提升筏架中部的整体刚度与强度水平，外围利用杆件结构在满足刚度与强度要求的基础上，达到舱筏隔振系统轻量化设计的效果；
[0038]
2)筏架结构不仅为设备的安装平台，还兼顾舱室功能，可提高整舱浮筏的装载能力，便于将各辅机系统整体集中布置在浮筏上，设备、管路及相关辅助器件均通过浮筏隔振，解决管路系统减隔振难题；浮筏上系统尽可能在浮筏内部实现流体交换，可减少浮筏与外界连接的管路，可有效减少舱筏与艇体之间的振动传递通道；
[0039]
3)箱体浮筏结构可实现更多的设备集成安装，隔振系统质量效应大，质量效应更明显，有助于提升低频隔振效果。
[0040]
2、本发明的网架式箱体浮筏结构的设计方法具有以下优点：
[0041]
1)基于流程设计的网架式箱体浮筏可实现筏架结构与舱室结构的融合设计以及舱筏隔振系统轻量化设计，同时相对于同等重量下的传统板架式浮筏结构具有更加优良的减振降噪效果；
[0042]
2)能够指导类似网架箱体浮筏结构设计。
附图说明
[0043]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0044]
图1是本发明网架式箱体浮筏结构的结构示意图；
[0045]
图2是本发明网架式箱体浮筏结构设计方法的流程图；
[0046]
图3是平面桁架结构的类型示意图；
[0047]
图4是本发明实施例中纵向平面桁架结构的示意图；
[0048]
图5是本发明实施例中横向平面桁架结构的示意图；
[0049]
图6是本发明实施例中网架式箱体浮筏结构的节点示意图；
[0050]
图7是本发明实施例中上层设备主要布置示意图；
[0051]
图8是本发明实施例中网架式箱体浮筏结构与传统板架式浮筏的隔振效果对比图。
[0052]
图中：11、纵向平面桁架结构；12、横向平面桁架结构；13、水平平面桁架结构；14、弦杆；15、腹杆；21、上面板；22、下面板；23、舱壁。
具体实施方式
[0053]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0054]
本发明提出了一种网架式箱体浮筏结构，主要用作弹性安装于船舶的舱段内，在实现设备安装平台及舱室功能的同时，起到对重要设备、人员抗冲击防护以及隔离设备振动的目的。如图1所示，网架式箱体浮筏结构包括网架结构、上面板21、下面板22和舱壁23。其中，网架结构是由横向、纵向及水平的平面桁架结构组成的空间立体框架结构；平面桁架
结构是采用杆件连接形成的空腹格构式受弯构件，杆件包括弦杆14、腹杆15。上面板21、下面板22和舱壁23为板材结构，其中，上面板21安装于顶部的水平平面桁架结构13的上表面，下面板22安装于底部的水平平面桁架结构13的上表面。舱壁23采用由扶强材与舱壁板组成的平面舱壁，舱壁23安装于网架结构内部，其舱壁板与上面板21和/或下面板22连接。网架结构、上面板21、下面板22、舱壁23之间采用焊接的方式连接。
[0055]
上述网架式箱体浮筏结构的设计流程参见图2，包括以下步骤：
[0056]
s1、网架结构设计
[0057]
s1.1、杆件材料确定
[0058]
基于各个杆件(弦杆、腹杆)在网架结构的作用，选用合适的材料。网架杆件结构的钢材宜采用16mn钢、q235、q345、q390、q420和q460钢，具体可根据实际需要选用，其质量应分别符合现行国家标准《碳素结构钢》gb/t700、《低合金高强度结构钢》gb/t 1591的规定。本实施例中，杆件结构材料选q345钢，材料密度为7.85
×
103kg/m3，弹性模量e＝2.06
×
10
11
n/m2，泊松比σ＝0.3。
[0059]
s1.2、网架结构型式设计
[0060]
基于隔振设计目标，对网架结构型式进行设计，包括确定平面桁架结构型式、网架高度、网格尺寸。
[0061]
根据受力特点和杆件布置不同，平面桁架结构分为普拉特(pratt)式桁架、华伦(warren)式桁架、芬克(fink)式桁架和拱形桁架，见图3。兼作为船舶舱室，箱体浮筏结构受船舶舱室布置影响，其高度基本已确定，又由于箱体浮筏结构包含相互平行的上、下面板，且浮筏整体为箱型结构，因此宜采用平行弦网架结构，即矩形的网架形式对箱体浮筏进行设计，可选用规则化的华伦桁架和普拉特桁架型式进行参考设计。结合舱室舱壁23布置位置和网架结构型式，得到相应的网格尺寸。
[0062]
s1.3、杆件参数确定
[0063]
根据确定的网架结构型式，对杆件(弦杆、腹杆)进行设计，选择合适的杆长、截面形式以及长细比等。钢管结构可根据构件的受力情况、制作加工和安装条件、外观要求及经济性等具体情况综合考虑采用圆管或矩形管结构，也可以两种钢管混合使用。混合使用时，一般弦杆采用矩形管，腹杆采用圆管。弦杆也可以采用h型钢，腹杆用矩形管或圆管。杆件的计算长度和容许长细比应满足相关规定的要求。结构的节点设计要做到受力合理，符合实际经济效益。
[0064]
本实施例中，杆件均选用矩形管网架截面，由实际需求来确定具体尺寸。网架的杆件计算长度设置为小于其几何长度，腹杆采用单层腹杆的形式来设计(即只有一层网架)，与弦杆一样考虑杆件的容许长细比的因素。
[0065]
s1.4、节点设计
[0066]
基于确定的杆件，进行节点设计，所含的节点类型有搭接k形、t形以及平面kt形等。
[0067]
对于本实施例的节点设计，应注意直接焊接的钢管节点要求，支管与主管的连接处尽可能避免偏心。若无法避免偏心时，其值不宜超过下式的限制：
[0068]-0.55≤e/d(或e/h)≤0.25
[0069]
式中e——偏心距；
[0070]
d——圆管主管外径；
[0071]
h——连接平面内的矩形管主管截面高度。
[0072]
钢管网架节点处多个支管搭接时，通过一定顺序选择被搭接管，在有间隙的k形或n形节点中，支管间隙应不小于两支管壁厚之和。在搭接的k形或n形节点中，如其搭接率应满足25％≤ov≤100％，且应确保搭接部分的支管之间的连接焊缝能可靠地传递内力。
[0073]
综合上述因素，以及浮筏在横向和纵向的平面桁架结构有所不同，分别对两向的平面桁架结构进行设计，初步设计的纵向平面桁架结构13和横向平面桁架结构12的结构形式分别如图4、5所示，其中所含的节点类型有搭接k形、t形以及平面kt形，分别为图6中的1、2、3号节点。水平网架结构为强弱交接的扶强材，其设计可参考中国船级社《钢质海船入级与建造规范》的甲板结构进行设计。
[0074]
s1.5、设计载荷确定
[0075]
对于杆件设计，对初步设计的平面网架(即平面桁架结构)，网架杆件的截面强度、稳定性、刚度以及节点需满足标准中的计算要求，对这些进行校核时，应进行平面网架载荷设计。静力状态下，网架承受上面板21及上面板21上的设备和人员的重力。因此，需根据上面板21及上面板21上的设备和人员的重量设计平面网架的静载荷。上面板21上的设备和人员的重量统计如表1所示，上层的主要设备布置如图7所示(设备e因为数量众多，且分布零散，质量相比于其他结构小太多，在图7中已忽略)，结合上面板21重量作为载荷输入，其中上面板21及设备重量的荷载作用记为恒荷载，人员重量的荷载作用记为活荷载。假定其重量都由筏架中的网架结构来承担，并将重量简化为等效载荷作用在网架结构上弦杆的节点上。
[0076]
表1上层初步设计设备及人员重量表
[0077]
设备名称重量(kg)数量合计kg人员75201500设备a20051000设备b5001500设备c5001500设备d20051000设备e2314322设备f1803540设备g2083624设备h1782356设备i1862372
[0078]
网架结构承担的恒荷载为11.024t，活荷载为1.5t。考虑到荷载、材料性能的试验值和设计值与实际值的差别，为保证结构的安全可靠，一般的建筑结构设计的安全系数取值为k＝1.5，但考虑到筏架结构不同于一般的建筑结构，校核时安全系数取值为k＝2.0。每侧平面网架结构所受荷载如下表2所示。
[0079]
表2单侧网架结构的荷载(单位：kn)
[0080] 恒荷载活荷载k
×
恒荷载k
×
活荷载纵向平面网架36.004.3272.008.64
横向平面网架26.483.1852.966.35
[0081]
平面网架应力校核：
[0082]
确定设计载荷后，对网架杆件的截面强度、稳定性、刚度以及节点进行计算校核分析。
[0083]
对于轴心受拉构件，当端部连接及中部拼接处组成截面的各板件都由连接件直接传力时，其截面强度计算应符合下列规定：
[0084]
除采用高强度螺栓摩擦型连接者外，其截面强度应采用下列公式(1)和公式(2)来计算：
[0085]
毛截面屈服：
[0086][0087]
净截面断裂：
[0088][0089]
式中：n——所计算截面处的拉力设计值(n)
[0090]
f——钢材的抗拉强度设计值(n/mm2)
[0091]
a——构件的毛截面面积(mm2)
[0092]an
——构件的净截面面积，当构件多个截面有孔时，取最不利的截面(mm2)
[0093]fu
——钢材的抗拉设计最小值(n/mm2)
[0094]
对于轴心受压构件，当端部连接及中部拼接处组成截面的各板件都由连接件直接传力时，截面强度应按上式(1)计算，含有虚孔的构件尚需在孔心所在截面按上式(2)计算。校核标准依据国家标准《钢结构设计标准》(gb50017—2017)第七章轴心受力构件计算为主。
[0095]
根据国标《钢结构设计标准》(gb50017—2017)对网架中弦杆、腹杆等构件的稳定性按轴心受力构件进行校核。规范公式中考虑了构件的初始缺陷、允许截面存在一定的塑性发展。除可考虑屈服后强度的实腹式构件外，轴心受压构件采用公式(3)进行稳定性计算：
[0096][0097]
式中：n——杆件轴心应力；
[0098]af
——杆件截面面积；
[0099]
——轴心受压构件的稳定系数(取截面两主轴稳定系数中的较小者)。稳定系数根据构件的长细比(或换算长细比)、钢材屈服强度和《钢结构设计标准》(gb50017—2017)第七章中轴心受压构件的截面分类得出。
[0100]
在平面网架设计中，采用限制构件长细比的方法来保证结构刚性，根据《钢结构设计标准》(gb50017—2017)，构件采用公式(4)进行刚度计算：
[0101]
[0102]
式中：l——杆件计算长度；
[0103]
r——杆件有效回转半径；
[0104]
[λ]——杆件容许长细比。
[0105]
节点的安全性主要决定于其强度与刚度，应防止焊缝与螺栓等连接部位开裂引起节点失效，或节点变形过大造成结构内力重分配。对于不同的节点形式有不同的设计验算要求。验算时，首先应满足构件的轴力不大于承载力设计值的要求，之后可按照节点设计部分中的设计要求，对节点进行验算，验算时可参考《钢结构设计标准》(gb50017—2017)中第12、13章中规定公式进行计算校核。
[0106]
s2、板材结构设计
[0107]
s2.1、板材材料确定
[0108]
对于板材结构的设计，宜采用16mn钢、q235、q345、q390、q420和q460钢，具体可根据实际需要选用，其质量应分别符合现行国家标准《碳素结构钢》gb/t 700、《低合金高强度结构钢》gb/t 1591的规定。对于承受振动或冲击等动载荷的结构，在选取时可参考《gb 712-2011船舶及海洋工程用结构钢》的规范要求，选取具有足够延性和韧性的高强度钢材，以满足承载要求。本实施例选择了q345钢来做进一步的分析。
[0109]
s2.2、面板设计
[0110]
面板设计时，根据结构所在空间大小进行设计，一方面要满足浮筏整体的重量控制，另一方面必须满足荷载作用下的设计要求。设计时，需计算面板在设计载荷作用下的最大弯曲应力与最大挠度值，使其满足小于设计值的要求。计算时的计算模型可简化为四边简支的等厚矩形板，受均布荷载。最大弯曲应力值按公式(5)计算：
[0111][0112]
式中:：α——计算系数；
[0113]
b——面板宽度；
[0114]
t——面板厚度；
[0115]
q——设计均布荷载；
[0116]
[σ]——容许应力值。
[0117]
最大挠度按公式(6)计算：
[0118][0119]
式中：β——计算系数；
[0120]
b——面板宽度；
[0121]
t——面板厚度；
[0122]
e——弹性模量；
[0123]
q——设计均布荷载；
[0124]
[ω]——挠度控制值。
[0125]
计算后得上、下面板厚度均为12mm。
[0126]
s2.3、舱壁设计
[0127]
网架箱体浮筏结构的舱壁的类型主要采用由扶强材与舱壁板组成的平面舱壁来进行设计，筏架结构中的舱壁主要作为分隔舱室或因强度要求而设置，所以无需使用水密舱壁。舱壁的布置与数量，应根据筏架内部空间划分决定，在适当的位置选用纵舱壁、横舱壁或半舱壁，做到均匀布置。在满足强度设计的要求下，尽量减少舱壁的数量。舱壁板的厚度及扶强材的尺寸可参考《钢质海船入级与建造规范》，按以下计算要求进行设计：
[0128]
舱壁板厚度t应不小于按公式(7)计算所得之值：
[0129][0130]
式中：k、c——系数，按表3选取；
[0131]
s——扶强材间距，m；
[0132]
h——由舱壁下缘量至舱壁顶端(深舱舱壁另加0.5m)的垂直距离，m；
[0133]
表3系数k、c取值
[0134]
舱壁种类防撞舱壁储物舱舱壁深舱舱壁k4.03.24.2c0.501.0
[0135]
舱壁扶强材一般应竖向布置，其剖面模数w应不小于按公式(8)计算所得之值
[0136]
w＝kshl
2 cm3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0137]
式中：k——系数，按表4选取；
[0138]
s——扶强材间距，m；
[0139]
h——自扶强材中点量至舱壁顶端(深舱舱壁加0.5mm)的垂直距离，m；
[0140]
l——扶强材的跨距，m，取包括肘板在内的扶强材长度。
[0141]
表4平面舱壁扶强材系数k取值
[0142][0143]
最终得到舱壁的设计如图1所示，在整体浮筏的纵向与横向中间处设有舱壁，在设备f和设备g下方有一短横舱壁。
[0144]
将设计的平面网架结构与板架结构结合，形成典型网架式箱体浮筏结构。上下面板厚度均为12mm，网架式浮筏整体重量为23.84t，与板架式浮筏(23.95t)几乎相等。
[0145]
s3、网架式箱体浮筏结构整体校核计算
[0146]
包括对浮筏整体进行静力校核，包括正浮和倾斜状态校核，两种状态下结构的最大应力应小于材料的屈服应力；对浮筏整体进行隔振校核，设计的网架浮筏在全频段的隔振能力应大于同等重量下的传统板架浮筏。
[0147]
以正浮状态为例，对筏架整体和上下面板进行静力校核，倾斜以及摇摆准静态分析同理。分析设计的网架式箱体浮筏和传统板架式浮筏在正浮状态下的静态响应能否满足
设计要求。具体做法是，对整个模型下部边界两侧采用固定约束边界条件，限制其在六个方向上的自由度。在计算时，仅考虑设备和筏架自身的重量，对模型施加重力场进行计算(重力加速度gy＝9810mm/s2)。对网架式箱体浮筏和传统板架式浮筏在正浮状态下的相应分别进行计算，计算结果参见表5，最终的结果表明了在正浮状态下网架式浮筏的静态响应性能均优于传统板架式浮筏。
[0148]
根据网架式箱体浮筏结构设计流程，对网架式箱体浮筏结构整体进行隔振校核分析。采用abaqus建立的有限元模型，并导入到va one计算软件中，最终得到不同频段下的计算结果，见图8。最终两个结构的振级落差曲线表明，网架式浮筏的隔振效果优于板架式浮筏。
[0149]
表5.正浮状态下浮筏各结构的最大应力和最大位移值表
[0150][0151]
必要时，还需对浮筏结构开展动态抗冲击校核(即动态校核)，结构在环境冲击作用下的应力响应应满足结构强度要求。
[0152]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。