夾層結構玻璃鋼游艇整船結構強度有限元分析

劉雪松 周玉龍

江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮 江 212003

夾層結構玻璃鋼游艇整船結構強度有限元分析

劉雪松 周玉龍

江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮 江 212003

目前各大船級社普遍缺乏新穎玻璃鋼艇體結構強度的計算規范，因此設計者需要直接計算艇體結構強度。在研究玻璃鋼游艇的基礎上，用ANSYS軟件建立全船有限元模型，采用層合殼單元處理復合材料和復合材料夾層結構并計算分析整船結構強度。分析中所采用的方法對于正確地進行玻璃鋼游艇整船直接計算具有指導作用和實用價值。同時所采用的沖擊力和水動力加載方法可應用于其他類型的高速艇結構強度的有限元分析。

玻璃鋼；夾層結構；結構強度；ANSYS

1 引 言

目前國外的玻璃鋼船長度已經達到70 m以上，甚至某些軍船也采用玻璃鋼材料，而我國現階段只能制造長40 m以下的玻璃鋼船。不但在尺度上落后于國外，即使同尺度玻璃鋼船，其結構形式也跟國外先進技術存在差距［1，2］。受限制的不是玻璃鋼材料本身的性能，而是缺乏這方面的結構設計和結構計算方法。

2 玻璃鋼船的結構特性

2.1 玻璃鋼船的骨材形式

玻璃鋼材料因其彈性模量低而容易產生扭曲和彎曲變形，因此玻璃鋼船的骨材就需要采用特定的截面形式來抵抗彎扭變形。通常情況下，玻璃鋼船的骨架梁材會采用梯形帽形截面，截面表面鋪設玻璃纖維，中間空心部分填充芯材。

2.2 玻璃鋼船的船體結構形式

在船體底部一般采用玻璃纖維結合樹脂為材料設置鋪層，每一層會設有一定的方向角。龍骨區域需要加強，會比其他區域厚。

舷側、甲板和艙壁等與底部的不同之處在于其獨特的夾層結構，即在鋪層結構的中間鋪設一層泡沫芯材。盡管芯材的力學性能比較低，但整個結構的剪切強度主要由芯材承受，面板對于剪切僅起部分作用。

3 玻璃鋼游艇的有限元模型

根據實船的結構形式、受力情況、精度要求等［3］，運用結構力學和有限元知識對實際結構進行簡化，選用合適的單元加以模擬而得出有限元模型［4］。在結構強度的計算中，載荷和約束都關于中縱剖面對稱，因此只需要建立全船的半寬模型。

3.1 單元選擇

與鐵和鋼等各向同性材料相比，復合材料的有限元網格劃分則顯得非常復雜。由于各層材料為任意正交各項異性，材料性能和材料主軸取向有關。

在ANSYS中，用于建立復合材料模型的單元有 SHELL 99、SHELL 1、SHELL 81、SOLID 46 和SOLID 191五種單元。SHELL 91單元可用于夾層結構并且允許面板和夾心層有不同的性質，設置該單元的KEYOPT（9）＝1即可激活“夾層”選項。在上述的幾種單元中，只有SHELL 91單元有此夾層選項。

玻璃鋼游艇的骨架梁材劃分網格時，并沒有像普通鋼質船那樣使用梁單元，其原因是玻璃鋼船的骨材也是用玻璃纖維進行多層鋪設而成，并帶有芯材。而普通的梁單元并不能準確地表達層合結構形式，因此選用了殼單元來替代梁單元。

3.2 層合結構和夾層結構的模擬

層合結構如圖1所示，各單層板采用玻璃纖維作為增強材料，Y向為纖維的軸向方向，Z向為垂直于纖維軸線的方向（即疊層方向）。根據玻璃纖維的性能特點，各單向板是正交各向異性板，所以在ANAYS中定義單向板的材料屬性為Orthotropic。每一層材料，可以通過單元實常數來定義如下性質：材料屬性（通過材料參考號MAT來定義）、層的定向角（THETA）和層的厚度（TK）。

夾層結構（“三明治結構”）如圖2所示，有兩個薄的面板和一個較厚但相對軟的夾心層，它允許夾層結構中面板和夾心層有不同的材料屬性。在玻璃鋼游艇中，夾心層一般為泡沫，根據泡沫的特性，可將其視為各向同性體。夾層結構材料性質的定義與普通層合結構相同［5-7］。

4 約束與載荷

4.1 全船有限元邊界條件

船體是一個漂浮體，處于平衡力系之下，但沒有對剛體運動的約束。而有限元分析要求結構的剛體被支座所限制，以便計算結構的相對變形。為此，必須給浮動船體加上適當的約束，令船體不能做剛體運動，同時也不能限制船體變形，不能影響全船結構的受力，這樣求出的相對變形與內力才是真實的［8］。通常，在艉部艙壁處對稱位置和艏部縱剖面的節點上施加6個獨立約束，同時還要在中縱剖面施加對稱約束。

4.2 艇體載荷

作用在艇體上的平衡力系組成如下：

1）波浪對艇體的沖擊力和艉部水動力；

2）艇體慣性力；

3）艇體浮力；

4）艇體重力。

波浪對艇體的沖擊力F按式（1）計算確定：

式中，F為沖擊力；me為沖擊作用中心處艇的有效質量 （如表1所示）；g為重力加速度；n為沖擊力作用中心處的艇體慣性系數。

表1 載荷作用區域

艇的（沖擊）有效質量按下式計算：

式中，m為艇在正常裝載狀態下的總質量；r1為沖擊力作用中心至艇重心的距離（自重心向艏為正，如圖1所示）；r2為艉部水動力作用中心至艇重心的距離；R為艇體對通過重心橫軸的慣性半徑。

x號理論站處的慣性力按式（3）計算：

式中，F（x）為x號理論站處單位長度的慣性力；m（x）為 x號理論站艇體單位長度的質量；n（x）為x號理論站處的慣性系數，按公式（4）計算；g為重力加速度。

式中，me為沖擊力作用中心處的有效質量 （按式（2）計算）；L為計算長度；Xg為艇重心到舯剖面的距離（自重心向艏為正，見圖 1）；r1，r2，R，m 參見式（2）中的符號說明；x為理論站號。

艏部沖擊力作用區的浮力應按式（5）計算確定：

艉部水動力作用區的浮力按式（4）計算：

艇體載荷按梯形分布，如圖2和圖3所示。

5 計算及后處理

完成約束和載荷后，可以直接用solve求解器計算［9，10］。對于計算結果，在缺省情況下，只有第一層（底層）的底面、最后一層（頂面）的頂面以及最大失效值所在層的結果數據被寫入結果文件，如果用戶對所有層的結果數據都感興趣，則應設置KEYOPT（8）＝1，但這樣可能導致結果文件很大。具體某一層的結果可以在后處理POST1中使用LAYER 命令 （Main Menu＞General Postproc＞Options for Outp）來指定層號。

6 算 例

以62′豪華游艇為例，應用以上方法對該艇在舯拱狀態下進行整船結構強度有限元分析。該艇總長 19.51 m、 計算長度 17.50 m、 設計型寬 5.02 m、設計型深 2.875 m、設計吃水 1.08 m、設計航速29 kn，正常排水量32 t。全艇材料選用不飽和聚酯樹脂結合無堿玻璃纖維布和無堿玻璃纖維氈，芯材Corecell牌SAN船用泡沫。全船共4 745個單元，14 373個節點。

7 結束語

通過對玻璃鋼游艇在舯拱載荷下整船結構三維有限元強度的計算分析，獲得底部、舷側、甲板和骨材等構件的應力，結果可作為判斷艇體總強度的依據。

計算表明，艇體在舯拱載荷作用下，6號肋位的變形最大。艇體的最大變形24.291 mm，方向為Z方向。按照規范，最大變形小于艇體長度的1／200，說明艇體的變形不大，剛度是有保證的。最大等效應力為186 MPa，位于艇底及舷側上部，整艇滿足強度要求。

本文所建立的玻璃鋼游艇整船有限元分析計算艇體結構強度應力的方法和步驟具有通用性，文中處理復合材料以及夾層結構的方法也適用于其他類型玻璃鋼船的強度分析。

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Finite Element Analysis of the Global Strength of FRP Yacht with Sandwich Structures

Liu Xue－song Zhou Yu－long
College of Marine and Shipbuilding Engineering， Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，Jiangsu

The codes and regulations provided by the major ship classification societies for computing strength of fashionable FRP yacht are very rare.Therefore，designers turn to the direct method to compute the structural strength.Based on the study of FRP yacht， a finite element model of full yacht was generated by software ANSYS with layered shell elements to treat composite materials and sandwich structures as well as to compute the structural strength of the full model.The methods used in the paper have provided some advices on how to perform direct computations of FRP yacht in a right way and therefore are of practical values.The two loading methods applied in this paper， impulsive forces and hydrodynamics， can also be used to perform finite element analysis for other similar boats of high speed.

FRP； sandwich structure； structural strength； ANSYS

U661.43，U674.934

A

1673－3185（2010）02－45－04

2009－07-13

劉雪松（1985－），男，碩士研究生。研究方向：船舶結構力學。E-mail：tinsug＠ yahoo.com.cn

周玉龍（1955－），男，研究員。研究方向：船體結構強度和船舶性能