氣墊船首沖砰擊載荷作用下船底結構瞬態響應分析

曲 鵬，佟福山

(哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

氣墊船在高速航行過程中常會出現船首底部出水及上浪等情況，會在船首底部區域產生砰擊現象。當波浪沖擊船底時氣墊船將產生較大的垂向加速度、總縱彎矩，引發嚴重破壞。尤其當今氣墊船技術的發展日漸加快，航速及性能不斷提高的同時砰擊造成的后果更加明顯。目前，大量國內外船舶的損傷報告顯示，造成船底局部結構失穩及破壞的主要原因之一即為船體與水面及波浪上浪的砰擊載荷。所以，在氣墊船的設計過程中對于計算砰擊載荷下的結構強度已成為一項安全審核標準［1］。砰擊往往是船舶減速的主要原因，根據衡準［2］當船舶經過的100個波浪中，發生超過3次或以上砰擊時，船長應主動減速避免發生局部結構屈曲甚至破壞。

瞬態載荷［3］的產生通常來自于船舶在高速航行狀態時底部及水線以下的出水部分與水面發生的碰撞，這種現象對于氣墊船等具有較平坦底部的特種船舶效果尤其明顯。

本文將俄羅斯設計生產的全墊升式氣墊船作為母型船，該船底部采用了結構較密的加筋板板格式結構，中國船級社在《內河高速船入級與建造規范》(2002)及《海上高速船入級與建造規范》(2002)修改通報中均提出了密加筋［4］的結構形式。目前對于氣墊船，縱骨架式和密加筋式2種結構在砰擊載荷作用下的瞬態響應仍缺乏對比分析。

1 砰擊載荷的計算

根據Ochi［5］提出的砰擊載荷為三角分布的對稱脈沖載荷理論，砰擊發生期間載荷由初始值0達到峰值最后回到 0［6］。

全墊升式氣墊船首沖狀態下波浪沖擊載荷的確定根據文獻 ［7］確定。

首沖時波浪沖擊力為

其中:acgb首沖時船舶重心處垂向加速度，可按下式計算:

式中:acg為重心處垂向加速度，經計算acg=10.58 m/s2;γx為計算系數，γx=l1/ρx，經計算 γx=0.85;Δ 為滿載排水量，Δ=2.47 t。

計算得首沖時波浪沖擊力Pb=27.3 kN，最終得砰擊載荷隨時間變化如圖1所示。

圖1 砰擊載荷(MPa)Fig.1 Slamming load

2 氣墊船船底結構在首沖砰擊載荷下的瞬態動力響應分析

為保證這2種船底板結構形式具有實用參考價值，確定結構尺寸。

密加筋式船底結構尺寸如下:

根據母型船底部結構資料，材料采用鋁鎂合金，11道Z 70×25×18×2船底縱骨，2道Z 400×25×1強縱骨，3道Z 50×20×15×1.5肋骨，底部縱骨間距由兩側向中間對稱分布為110 mm，140 mm，155 mm×3，180 mm，肋骨間距 500 mm，船底板板厚為1.2 mm。

縱骨架式船底結構尺寸如下:

根據中國船級社《海上高速船入級與建造規范》(2005)［7］，經計算確定全墊升式氣墊船構件尺寸，11道Z 70×25×25×2縱龍骨，2道Z 400×25×2強縱骨，底部縱骨間距由兩側向中間對稱排列分布為110 mm，140 mm，155 mm×3，180 mm，船底板厚2.5 mm。

采用有限元計算軟件Patran分別對2種船底結構進行三維建模、劃分有限元網格如圖2和圖3所示。邊界條件為在龍骨與肋骨端部取簡支約束，取4個周期的瞬態動力響應進行分析。首沖砰擊載荷為分布在船底板的面載形式［8］。本文的分析目標為2種底板的重量、節點位移響應及Von Mises應力。

2.1 船底結構的重量比較

密加筋式船底結構經計算總重量為33.91 kg。縱骨架式船底結構經計算總重量為52.056 kg。由重量比較結果可知，縱骨架式船底結構相對密加筋式結構重量增加53.51%。由此可見，對于全墊升式氣墊船這種對船體重量要求嚴格的高速特種船舶來說，母型船所采取的密加筋式船底結構在重量方面是具有較大優勢的。

2.2 首沖砰擊載荷下節點位移響應的比較

在首沖載荷作用下船底板最大形變位移處的位移響應比較如圖4和圖5所示。

圖7 縱骨架結構船底板形變位移響應云圖Fig.7 Longitudinal framing bottom plate displacement response cloud picture

由上圖對比及計算結果分析可知:

1)密加筋結構船底板的形變響應幅值要比縱骨架式形變響應幅值少15.25%。

2)從位移響應云圖對比中可知，密加筋結構船底板最大形變面積遠小于縱骨架結構。

3)密加筋結構船底板的位移響應相對穩定，呈現穩態的分布趨勢，而縱骨架結構位移響應較不穩定，變化幅度較大。

從安全性與結構變形破壞角度分析，母型船所采用的密加筋式船底結構要優于縱骨架式船底結構。

2.3 船底板的最大位移處Von Mises應力比較

在首沖砰擊載荷作用下2種船底板最大位移處Von Mises應力如圖8和圖9所示。

由以上對比及計算結果分析可知:

1)密加筋式船底板最大形變處Von Mises應力幅值要比縱骨架式Von Mises應力幅值小36.65%。

2)通過云圖對比，密加筋式Von Mises應力分布較為穩定，變化幅度小。而縱骨架式Von Mises應力變化幅度較大。

顯然，密加筋式船底板的應力分布及變化幅度有利于船底結構的穩定性。

綜合形變響應結果和最大形變處Von Mises應力結果，分析原因在于:第一，在密加筋結構中，橫向肋骨為縱骨提供了有利的彈性支撐，減小了縱向彎矩并增強縱向構件的剛度;第二，相對于縱骨架式結構，密加筋結構具有船底橫向的構件支撐作用，縮小了板格間跨距，使承受的載荷分布得更加均勻。

3 結語

1)在對比了密加筋式船底結構和縱骨架式船底結構的結構重量后發現，密加筋式結構的重量顯著減輕，這一點對于氣墊船等高速船舶顯得尤為重要。

2)在首沖砰擊載荷作用下，分別比較2種結構船底板的最大形變處位移響應與該處的Von Mises應力后發現，密加筋式結構不論在變形響應還是在應力響應及應力的分布與變化趨勢方面都要優于縱骨架式結構。

3)對于氣墊船來說，密加筋結構的優勢還在于，常規小型氣墊船均為鋁合金式薄外板，而密加筋結構縮小了板格間距，相對于縱骨架結構能減小建造與裝配過程中引起的變形。

4)綜合以上結論可知，在首沖砰擊載荷作用下，母型船所采用的密加筋式船底結構要比縱骨架式結構更具有抗砰擊變形能力，并能夠大大減輕氣墊船自身重量，提高氣墊船結構性能。

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