28m巡邏艇局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

王世杰

(江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

1 28m巡邏艇概況

28 m巡邏艇是在千島湖水域使用的公務(wù)巡邏艇,兼具游艇的功能,屬于雙站式駕駛,在2層前端為室內(nèi)駕駛臺(tái),在游步甲板前方設(shè)有室外駕駛臺(tái),室內(nèi)室外均可以駕駛本船。其外觀造型介于公務(wù)艇和游艇之間;內(nèi)部功能艙室錯(cuò)落有致,布置格局具備私家游艇的特色,功能艙室比較多,主甲板以下中部也布置了較多的生活艙室。這就要求在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),主甲板強(qiáng)構(gòu)件尺寸既要滿足強(qiáng)度要求,又要做到構(gòu)件的總高度值盡可能的小,以滿足主甲板以下生活艙室對(duì)高度的需求。本船的總體布置圖見(jiàn)圖 1。

圖1 28m巡邏艇總布置圖

2 主甲板強(qiáng)構(gòu)件常規(guī)設(shè)計(jì)分析

本船的主體結(jié)構(gòu)大部分是按CCS《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)(簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的。但是在Fr5～Fr41之間的甲板結(jié)構(gòu)是采用有限元直接計(jì)算確定的。此處的甲板結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 2。

圖2 甲板結(jié)構(gòu)圖

此段強(qiáng)力甲板為橫骨架式,按照“規(guī)范”第 1篇第 8節(jié)的規(guī)定,橫骨架式強(qiáng)力甲板縱桁的剖面模數(shù)W應(yīng)不小于按下式計(jì)算所得之值:

式中:W為剖面模數(shù),cm3;k為系數(shù),強(qiáng)力甲板取k= 0.03L+4.8=5.57,但應(yīng)不小于5.7,本船取k= 5.7,其中L為結(jié)構(gòu)計(jì)算船長(zhǎng),L=25.55 m;c為系數(shù),對(duì)B級(jí)航區(qū)船舶強(qiáng)力甲板取1.2;h為甲板計(jì)算水柱高,強(qiáng)力甲板取0.5 m;b為甲板縱桁支承面積的平均寬度,在Fr5～Fr41之間,b=1.65 m;l為縱桁跨距,對(duì)強(qiáng)力甲板取橫艙壁(雙向橫桁架)之間跨距點(diǎn)的距離,在Fr5～Fr19之間,l=7.0m,在Fr22～Fr41之間,l=9.5m。

計(jì)算結(jié)果如下:

按“規(guī)范”要求,強(qiáng)橫梁取值與甲板縱桁相同。因此,在Fr5～Fr19之間的甲板縱桁和強(qiáng)橫梁,要選用T(8×200)mm/(10×105)mm,其剖面模數(shù)W′=282.3 cm3;Fr22～Fr41之間的縱桁和強(qiáng)橫梁,要選用腹板為T(mén)(8×280)mm/(10×105)mm,其剖面模數(shù)W′=545.01 cm3。可見(jiàn)按“規(guī)范”計(jì)算值來(lái)確定強(qiáng)構(gòu)件,其總高度值較大。

本船的型深為2.8m,在Fr5～Fr41之間分別設(shè)有機(jī)艙和生活艙室。如果甲板強(qiáng)構(gòu)件直接設(shè)置成 T (8×200)mm/(10×105)mm和T(8×280)mm/ (10×105)mm2種規(guī)格的T型材,則機(jī)艙和生活艙室的可利用高度會(huì)難以滿足實(shí)際使用需求。

按“規(guī)范”要求的公式來(lái)分析,主要原因是縱桁的跨距比較大,并且機(jī)艙段和生活艙室部分不允許設(shè)置橫向桁架,所以無(wú)法在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面減小縱桁的跨距。

為使縱桁構(gòu)件即滿足強(qiáng)度要求又盡可能減小其高度,本船采用了直接計(jì)算方法來(lái)確定縱桁和強(qiáng)橫梁的尺寸,即用MSCPatran,MSCNastran程序進(jìn)行有限元計(jì)算。為了計(jì)算準(zhǔn)確,建立的模型為 Fr5～Fr41的整段立體模型。其有限元模型見(jiàn)圖 3、圖 4。

圖3 整體有限元模型

圖4 整體有限元模型板厚分布圖

3 有限元計(jì)算過(guò)程

3.1 結(jié)構(gòu)模型

本段結(jié)構(gòu)為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)。模型范圍:縱向從Fr5至Fr41;橫向?yàn)檎麄€(gè)船寬;垂向?yàn)檎麄€(gè)型深。模型甲板、舷側(cè)板、舭列板、船底板、橫艙壁板、縱艙壁板、肋板以及各強(qiáng)構(gòu)件腹板均采用二維三、四節(jié)點(diǎn)殼單元模擬,其他縱骨、橫梁、肋骨、艙壁扶強(qiáng)材以及強(qiáng)構(gòu)件面板等用二節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M。本模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為 8 687,單元數(shù)為 12 836。

模型材料為鋼材:彈性模量2.06×105MPa,泊松比0.3,密度7.85 t/m3。

3.2 本船主甲板構(gòu)件的實(shí)取尺寸

本文只對(duì)甲板構(gòu)件的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,此處只列出甲板構(gòu)件的尺寸,見(jiàn)表 1。

表1 構(gòu)件的尺寸

3.3 坐標(biāo)系

本模型坐標(biāo)系為:坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)取在Fr5船體基線處。X軸指向船首為正,Y軸由原點(diǎn)指向左舷為正,Z軸垂直向上為正。

3.4 邊界條件

模型的兩端(簡(jiǎn)稱A端和B端)均需約束,邊界約束條件圖如圖 5所示。詳細(xì)邊界條件見(jiàn)表 2。

表2 邊界條件

3.5 工況及載荷

根據(jù)“規(guī)范”和本船的穩(wěn)性計(jì)算書(shū),計(jì)算工況及載荷如下:

3.5.1 計(jì)算工況

根據(jù)邊防巡邏艇穩(wěn)性計(jì)算書(shū),計(jì)算工況見(jiàn)表 3 (B級(jí)航區(qū)的半波高為0.75m)。

3.5.2 載荷

3.5.2.1 滿載工況1

(1)滿載出港時(shí),甲板載荷重量 ～12 t,作用在整個(gè)計(jì)算甲板平面上,甲板面積為 162.4 m2,換算的甲板壓力為724 Pa。

表3 計(jì)算工況表

(2)舷外水壓力Pwater:

基線處:Pwater=ρgH=ρg(d+hhalf-wave)

式中:ρ為水密度,ρ=1.0 t/m3;d為滿載吃水,d= 1.25 m;hhalf-wave為半波高,hhalf-wave=0.75 m;H為基線至水面的高度,設(shè)計(jì)吃水與半波高的和。

(3)考慮結(jié)構(gòu)自重的影響。

3.5.2.2 滿載工況2

(1)滿載出港時(shí),甲板載荷重量 ～12 t,作用在整個(gè)甲板平面上,換算的甲板壓力為724 Pa。

(2)舷外水壓力Pwater:

基線處:Pwater=ρgH=ρg(d-hhalf-wave)

(3)考慮結(jié)構(gòu)自重的影響。

3.6 許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

許用應(yīng)力衡準(zhǔn)是根據(jù)“規(guī)范”中第 14.7.6.1條選取,見(jiàn)表 4。σe為板單元相當(dāng)應(yīng)力;σz為梁構(gòu)件單元節(jié)點(diǎn)合成應(yīng)力;τ為板或梁構(gòu)件剪切應(yīng)力。

3.7 分析結(jié)果及結(jié)論

應(yīng)力評(píng)估區(qū)域選取Fr7到Fr39。有限元分析應(yīng)力結(jié)果匯總見(jiàn)表 5、表 6。從表 5、表 6可見(jiàn),此處甲板結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度滿足“規(guī)范”要求。表中 σl為板單元中面沿長(zhǎng)方向應(yīng)力。甲板縱桁合成應(yīng)力、剪切應(yīng)力圖如圖 6～9所示。

表4 應(yīng)力衡準(zhǔn)表

表5 板材許用應(yīng)力及計(jì)算結(jié)果 MPa

表6 骨材許用應(yīng)力及計(jì)算結(jié)果 MPa

4 結(jié)論

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,可知本船按計(jì)算方法校核的甲板強(qiáng)構(gòu)件,其剖面尺寸滿足局部強(qiáng)度的要求。實(shí)踐證明,采用直接計(jì)算法確定的甲板強(qiáng)構(gòu)件與參照“規(guī)范”設(shè)計(jì)確定的構(gòu)件相比,可以使構(gòu)件的尺寸做到盡可能的小。此處只列出了甲板處強(qiáng)構(gòu)件的尺寸和計(jì)算結(jié)果。因此,在型深不變的情況下,本船主甲板以下的生活艙室,甲板縱桁和強(qiáng)橫梁采用∏型構(gòu)件,其總高度為100mm,在保證可施工的前提下,強(qiáng)構(gòu)件的高度做到了最小。在內(nèi)底板高度為700 mm的條件下,艙室的使用高度為2.1m。

圖6 甲板縱桁合成應(yīng)力(LC1)

圖7 甲板縱桁合成應(yīng)力(LC2)

圖8 甲板縱桁剪切應(yīng)力(LC1)

圖9 甲板縱桁剪切應(yīng)力(LC2)