基于Patran的高速小水線面雙體船有限元結構強度分析

胡 犇,許 晟,梅國輝,侯國祥

(1.華中科技大學船舶與海洋工程學院,湖北 武漢 430074;2.中國艦船研究設計中心,湖北 武漢 430064)

0 引 言

小水線面雙體船(SWATH)是20世紀70年代發展起來的一種新概念高性能艦船。SWATH船型的大部分排水體積深入水下,大部分有效容積升離水面,二者中間用水線面較小的支柱相連,使它像潛艇、水翼艇一樣具有興波小和受波浪干擾小的特點;又因其船體分成左右2部分,它還具有雙體船甲板面積大和復原力臂大的特點。這些特點的綜合效果就表現在該型船舶具有優良的耐波性、顯著的快速性、寬敞的甲板面積、較強的生命力和良好的操縱性。小水線面雙體船與常規單體船相比具有優越的耐波性能(在風浪中運動量最小,失速不嚴重)和寬廣的甲板面積,引起了造船界和船東的極大興趣。美國、日本等國更掀起了建造小水線面雙體船的熱潮。從20世紀70年代開始共建造了50多艘用于海洋考察、水聲監聽、車客擺渡以及旅游觀光的小水線面雙體船。我國從1994年開展小水線面雙體船的實用設計研究,2001年建成了第1艘200 t級的海關監管艇,隨后又陸續設計并正在建造最高噸位達到2500 t可在全球航行的小水線面雙體船,開創了中國造船界一個嶄新的領域[2]。

海關監管艇的船體主要尺度為:總長36.0 m,型寬14.6 m,型深7.0 m,片體間距12.1 m,支柱最大厚度1.2 m,下潛體最大直徑2.4 m,設計排水量190 t。兼顧船體結構強度、抗低溫和減輕重量等方面的因素,本船采取橫骨架式和縱骨架式相結合的船體結構,其中連接橋和封閉箱式采取橫骨架式;其他結構包括潛體、支柱體等都是采用縱骨架式,因為資料表明,縱骨架式的船體結構要比橫骨架式減輕3%。本船采用全鋁合金結構,這樣從結構和材料上均從船體減重方面進行了優化選擇,保證了快速性要求。

1 全船有限元模型的建立

通過通用有限元軟件MSC.Patran建立全船模型。有限元模型采用右手坐標系,即原點設于船尾處,x軸為沿縱向船首方向為正,y軸沿水平方向向左舷為正,z軸為垂向由原點向上為正。

根據結構的實際受力狀態將全船各類結構按結構式樣離散為下列幾種類型:板殼元(4節點或3節點)模擬甲板、舷側外板及支柱體、下潛體、連接橋、甲板縱桁、縱艙壁及橫艙壁、肋板、強框架、甲板室等;梁元(2節點)模擬板材上的縱橫骨材等,對主船體上的弱橫梁構件等效為梁單元設于板單元的網格邊界;桿元(2節點)模擬縱桁、肋板、主船體強橫梁等強構件的上翼板,支柱等;質量點單元,調節重量分布。單元網格尺寸控制縱向以肋骨間距為單元的1個網格尺寸,橫向以縱骨間距為單元的1個網格尺寸,垂向以舷側縱骨垂向間距為單元的1個網格尺寸。根據船級社規范,船體結構有限元分析網格尺寸最大一般取為肋骨間距500 mm。全船有限元模型節點數為32118,單元數為72094。整船有限元模型見圖1。

邊界條件和約束:尾部尾尖艙橫艙壁底部取橫向對稱的2節點,約束y向和z向的線位移;首部首尖艙橫艙壁底部取縱軸上的1節點,約束x向、y向和z向的線位移。

為了保持船舶的高速性,控制船身重量,同時保證船舶的結構強度,對主船體部分采取以下局部加厚措施:

圖1 整船有限元模型Fig.1 Finite element model for the whole ship

1)橫艙壁板局部加厚。各橫艙壁沿內舷圓弧過渡處由6 mm加厚至10 mm;各橫艙壁支柱部位由6 mm加厚至10 mm;在24、35和43站位處的橫艙壁與甲板縱桁相交處部位加厚至10 mm(見圖2)。

圖2 橫艙壁局部加厚Fig.2 Partly thickness increasement on cross bulkhead

圖3 主船體外板厚度Fig.3 Side plate thickness of main hull

2 外載荷計算和工況

從結構強度設計來看,小水線面雙體船的船體結構型式和受力狀態均與單體船和常規雙體船相比都要復雜。連接2個狹長片體的連接橋以及單薄的支柱體是船體結構的薄弱環節。同時,該型船的浮力提供僅靠其水下部分的2個魚雷狀潛體和部分支柱體,且支柱體的水線面積很小,所以該型船對船舶重量以及設計和建造過程中的重量重心都有嚴格的控制。由于小水線面雙體船的船長型深比很小,所以其船體結構具有較足夠的縱向強度和剛度,因而它的縱向承載能力是比較富裕的,對于船長小于50 m的小水線面雙體船通常不必進行總縱強度校核,大于50 m時則需對縱向強度進行校核。但是小水線面雙體船有較大的側面積和較大的型深,在橫波情況下,有可能受到較大的橫向波浪誘導載荷——總橫彎矩,以及由于側向力沿x軸向分布不均造成的水平扭矩。在對全船的橫向結構強度進行計算時,采用3種側向力分布形式(均勻分布、梯形分布及正弦分布),其應力計算結果證明應力值相差不會超過10%[1]。所以對本船的計算中,總橫彎矩的側向力呈均勻分布,分為向內和向外2種工況(見圖4);水平扭矩的側向力分布采取梯形分布和三角形分布(見圖5)。

1)總橫彎矩

根據船模在水池的實驗結果,側向力的合力作用位置大約在整船吃水的1/2處,所以對吃水以上任意位置由側向力FS產生的總橫彎矩可表示為:

式中:dZ為從基線至計算點的垂向距離,m;qS為作用在支柱體均布載荷,kN/m。

2)水平扭矩

由于側向力沿船長x軸方向分布不均,造成了對船體在水線面內的水平扭轉力矩Mxy,這是由于小水線面雙體船自身雙潛體的結構特性所形成的特殊載荷,是一般艦船所不具有的,其量值計算方法可按ABS《小水線面雙體船建造與入級指南》(1999)(以下簡稱ABS(1999))版本:

式中:FS為側向力,kN;ls為水線處支柱體長度,m;Kt為扭臂系數,見ABS(1999)圖B.3。

以上各式中,側向力FS的確定可采用理論計算和試驗研究的方法。理論計算多以切片理論為基礎,配合船體運動性能的計算,得到橫向波浪載荷的計算程序;也可應用系列化改變小水線面雙體船的主要尺度的法,通過理論計算求得橫向波浪載荷的近似計算公式。如上提出,橫向彎矩可用1個作用于船中吃水一半處的等效側向力來表示,而側向力設計值F與排水量 Δ之比具有下述簡單的函數關系[4]:

式中:L,B,T分別為船長、型寬和吃水;D為排水量的函數;K為常數。

參照《ABS(1999)》,水線面雙體船側向力設計值FS可按下式計算:

當小水線面雙體船處于斜浪狀態時,它的受載情況很復雜,不僅要受到由于橫向波浪力和水平扭矩作用,而且由于2個片體搖擺運動的不同步,還會受到縱搖扭矩和橫搖扭矩。在《ABS(1999)》中只考慮橫向波浪力和水平扭矩,而在CCS《小水線面雙體船指南(2005)》(以下簡稱CCS(2005))中則考慮橫搖和縱搖扭矩,那么把ABS和CCS二者結合起來,同時考慮上述橫向波浪力和3個扭矩的聯合作用。與此同時 ,還對在 《ABS(1999)》和 《CCS(2005)》下計算出的不同載荷值進行比較,如表1所示。

?

從表1中可以看出,《ABS(1999)》的載荷計算值要小于 《CCS(2005)》給出的。綜上所述,為了保障該船的結構強度,本文采取更嚴格的 《ABS(1999)》給出的載荷計算公式和《CCS(2005)》給出的校核工況。鑒于橫向波浪力起主導作用,為了減少計算工作量,本船在扭轉強度校核時選取45°/135°航向角進行扭轉強度校核,此時水平扭矩為最大值的0.8,總縱彎矩為最大值的0.6[2],這種取法不會對扭轉強度構成低估,符合規范要求。

3 應力結果表示與結果分析

本報告分析的主要目的是對整船進行全船總強度和局部強度分析和校核。應力結果即可顯示單元的XY方向的正應力和切應力,也可顯示等效應力(Von-mises)σ[6],

通過Patran軟件對全船的有限元計算,得出包括總縱彎矩、總橫彎矩、水平扭矩以及組合工況幾張應力云圖,對圖中幾處應力較大的結構分析結果得出:

1)細長的支柱體結構。該船型的支柱體橫剖面形狀變化較大的區域,也是船舶受力最大的構件。支柱體首尾狹窄,工藝要求高,而且尾部還要承受螺旋槳和舵葉的較大推力;同時,支柱體的工作環境更為復雜,水和空氣2種介質頻繁交替以及低溫、薄冰等外界因素的影響,支柱體殼板需要加厚板厚,是結構需要加強的部件。

2)連接橋的圓弧處結構。從計算結果來看,該船的總縱強度相對比較富裕。而船舶處于橫浪航行狀態時所受到的側向力誘導的總橫彎矩,以及斜浪狀態時由于側向力沿軸向分布不均造成的水平扭矩對船體結構影響很大,連接橋則是承受這些載荷的主要構件,所以需要關注其結構強度。

3)橫艙壁與主甲板縱桁相交處結構。在主甲板下面距船中6050 mm左右兩邊對稱有2根總桁,主要承擔船體的縱向載荷;而與主甲板相連的7個橫艙壁則主要承擔橫向載荷。主甲板下主要由這兩類構件保證其強度,當計算到總縱彎矩和水平扭矩的組合工況時,兩類構件相交處就會出現相當大的應力,需要進行局部結構加強。

圖6 總橫彎矩,主船體應力分布云圖Fig.6 Total cross bending moment stress contours of main hull

4)甲板艙室外圍壁。造成外圍壁應力集中的有2種:一是出現在甲板室外圍壁的根部,靠近與主甲板焊接的地方。這是由于主船體的應力通過外圍壁和主甲板之間的剛性連接傳遞形成的;二是出現在外圍壁的開窗角處造成的應力集中。

4 本文創新點

1)加載方案。通過對ABS《小水線面雙體船建造與入級指南(1999)》和CCS《小水線面雙體船指南(2005)》的比較,給出了一套完整而嚴格的載荷計算和校核工況的加載方案,最終采取的《ABS(1999)》給出的載荷計算公式和《CCS(2005)》給出的校核工況,最大程度地滿足規范要求。

2)船身結構減重建議。通過應力云圖分析出該類特殊船型應力分布狀況,有針對性的通過局部結構加強的措施達到了許用應力要求范圍,但也多處增加板厚,加大了船身重量。甲板室板單元的最大應力點集中出現在外圍壁或者艙室壁,這是由于主船體的應力通過甲板室外圍壁和主甲板之間的剛性連接傳遞上來而造成,針對此進行了多處加厚艙室板厚(見3.1節修改方案第四點)。若將外圍壁與主甲板的剛性連接打斷,二者之間以硬質橡膠連接,再將外圍壁以鉚釘固定于橡膠之上,這樣就可以減小甲板室板材增厚所增加的重量。

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