11.9m雙體交通艇總強度有限元分析

馮 堅,谷家揚

(1.揚州市地方海事局城區地方海事處,江蘇揚州 225000;2.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院,江蘇鎮江 212003)

0 引言

雙體船是由連接橋及兩個對稱的、具有相同線型且平行布置的片體組成,兩個片體通過連接橋緊緊地連接在一起。連接兩片體的連接橋,還要承受波浪對它的強烈拍擊,影響最大的是橫向彎曲及扭轉力矩[1]。

由于雙體船的結構相對單體船更為復雜,結構的強度不僅有類似于單體船的總體強度,更重要的還有船體的扭轉強度問題[2]。在分析雙體船的總橫強度及扭轉強度時,一般采用有限元分析程序進行分析計算。

本文對某11.9m雙體交通艇利用大型有限元分析軟件MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN對其總橫強度及扭轉強度進行校核。本船根據《內河高速船入級與建造規范(2002)》的要求進行設計建造。目前,該規范中關于連接橋設計的內容很少,但在總強度要求中提出應校核在波浪中高速航行時的總橫強度和扭轉強度[3]。

1 主要量度及其他主要參數

本船選用材料為鋁合金:彈性模量E=0.69× 105MPa,泊松比0.3,密度2.8t/m3;船體鋁合金材料為5083—H 116,屈服強度 215MPa,焊后屈服強度160MPa;其他鋁合金型材均為6061-T6,屈服強度240MPa,焊后屈服強度180MPa。

2 有限元模型

2.1 結構模型

11.9 m雙體船為左右對稱結構。整個模型取最上層主甲板以下全船結構。模型范圍:整個船長;橫向為整個船寬;垂向為從基線至最上層主甲板。模型片體/連接橋甲板、舷側板、片體/連接橋底板、橫艙壁/橫隔板、縱桁、強橫梁以及各強構件腹板等均采用二維 3、4節點殼單元模擬,其他縱骨、加強筋以及強構件面板等用 2節點梁單元模擬。本模型總節點數為 17 821,單元數為 23 642。模型如圖 1～圖 2所示。

2.2 邊界條件及載荷施加

參照《鋼質內河船舶建造規范(2009)》(簡稱“規范”)第 14.6.4條中雙體船的邊界條件對11.9m交通艇進行總橫強度計算和扭轉強度計算,邊界條件及載荷施加如下:

圖1 整體有限元模型(俯視圖)

圖2 整體有限元模型(仰視圖)

(1)進行總橫強度計算時,可將其中一個片體的底部施加約束。采取在舭部節點上施加線位移約束:ux=uy=uz=0,在船底強構件交叉節點上施加線位移約束ux=uz=0。在另一個片體上施加連接橋垂向剪力,垂向剪力應平均施加在片體中縱剖面船底強構件的交叉節點上。ux、uy、uz分別指舭部節點沿著x、y、z方向的線位移被約束。總橫強度計算時的施加邊界條件如圖 3所示。

圖3 總橫強度的邊界條件和載荷模型

(2)進行扭轉強度計算時,在連接橋中心點上施加全位移約束:u′x=u′y=u′z=0,θx=θy=θz=0。u′x、u′y、u′z分別指連接橋中心點沿著x、y、z方向的線位移被約束。θx、θy、θz分別指連接橋中心點繞 x軸、y軸、z軸的轉角被約束。扭轉載荷施加在雙體船的兩個片體上。在片體形心處建立獨立點,將獨立點所在的縱向平面內的各節點與獨立點進行剛性關聯,然后再在剛性點處施加扭矩。扭轉強度計算時的施加邊界條件和載荷后的模型如圖 4所示。

圖4 扭轉強度的邊界條件和載荷

3 工況及載荷計算

3.1 工況

根據《內河高速船入級與建造規范》,本船計算工況分為:LC1,總橫強度計算;LC2,扭轉強度計算。

3.2 載荷計算

3.2.1 總橫彎矩Mt

按《內河高速船入級與建造規范》第 2.9.6.1條,雙體船的總橫彎矩可按下式計算所得之值:

式中:Mt為總橫彎矩,kN?m;C1為航區系數,查表1得C1=0.106;b為片體中心間距,b=3.5m;Δ為排水量,Δ=5.17t;acg為重心垂向加速度,按《內河高速船入級與建造規范》第2.5.1.2條進行計算:

其中:L為水線長,L=11m;Bwl為L/2處水線寬,對雙體船,應為L/2處片體寬度之和,Bwl=1.8m;g為重力加速度,g=9.81m/s2;VH為船舶在有義波高H的波浪中航行的航速,VH=10.26kn;Hi為有義波高,Hi=0.75m;β為船體重心處橫剖面的底斜升角, β=18°;KT為船舶類型系數,根據船舶類型確定,對于排水型單、雙體高速船、全墊升氣墊船和水面效應船,KT=0.8。

表1 航區系數

設計部門應根據船舶營運航區,提出一組船舶可能遭遇有義波高Hi與該波高對應的一組航速,且有義波高應受如下限制:A級航區:Hi≤2.0m,B級航區:Hi≤1.2m。

把上述數據代入后,acg=6.47m/s2;

3.2.2 垂向剪力Qt

按《內河高速船入級與建造規范》第 2.9.6.2條,雙體船在連接橋中縱剖面處的垂向剪力可按下式計算所得之值:

式中:Qt為垂向剪力,kN;C2為航區系數,查表1得C2=0.142。

3.2.3 橫向扭矩Mp

按《內河高速船入級與建造規范》第 2.9.6.3條,兩片體因不同步縱搖引起的對橫向 X軸的扭矩可按下式計算所得之值:

施加載荷后模型圖如圖 3～圖 4所示。

4 分析結果匯總

有限元分析應力結果匯總見表 2。表中:σe為板單元表面等效應力;σl為板單元中面沿縱向應力,+σl為表示拉應力,-σl為表示壓應力;σz為梁單元節點合成應力,+σz為表示組合拉應力, -σz為表示組合壓應力;τ為板單元剪應力。

表2 應力結果匯總表

雙體交通艇船體構件應力云圖、整體變形圖如圖 5～圖 8所示。

5 結論

(1)從表 2得知,11.9m雙體交通艇結構強度滿足規范要求的總橫強度和抗扭強度要求。

(2)在總橫強度工況中,連接橋和橫艙壁是主要受力構件,連接橋和片體接口部位的受力較其他部位大,對該部位的結構設計和施工工藝應當予以重視。

圖5 船體整體等效應力σe云圖(LC1)

圖6 船體整體等效應力σe云圖(LC2)

圖7 船體整體變形云圖(LC 1)

圖8 船體整體變形云圖(LC2)

(3)雙體交通艇的全船有限元應力、應變分析表明,連接橋中遠離受力端的強橫梁、大肘板受到較大的應力,因此有必要適當加大該位置的構件尺寸,在發生扭轉變形的時候,連接橋艏部和艉部的應力、應變都較大;相反,在靠近船中位置的扭轉應力和應變很小,因此在設計中可適當地考慮協調船中部位與艏艉處的連接橋的結構尺寸。

[1] 李永正,尹群,劉琰.雙體船連接橋強度有限元分析[J].造船技術,2004,(6):18-21.

[2] 陳超核,楊永謙.有限元分析雙體船扭轉強度[J].海南大學學報自然科學版,2000,(6):126-130.

[3] 鄭杰,謝偉,駱偉,胡要武,楊龍.穿浪雙體船橫向強度與扭轉強度的有限元計算[J].中國艦船研究,2010,(2):14-18.

[4] 中國船級社.內河高速船入級與建造規范[M].北京:人民交通出版社,2002.

[5] 中國船級社.鋼質內河船舶建造規范[M].北京:人民交通出版社,2009.