基于有限元方法的雙體船連接橋受力分析

摘 要：應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS，分析某雙體船連接橋部位的應(yīng)力分布，為該部位的優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：雙體船；連接橋；有限元法；應(yīng)力分布

1 前 言

近年來，越來越多的雙體船占據(jù)了民用和軍用船舶市場(chǎng)。他們新穎的外觀、良好的綜合性能受到世界各國的矚目。對(duì)于雙體船的設(shè)計(jì)來說，通過有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算來不斷優(yōu)化雙體船的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。雙體船的連接橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問題之一，由于雙體船沿寬度方向的尺寸變化非常大，連接橋結(jié)構(gòu)的高度和片體型深相差很多，因此連接橋處就變成了雙體船結(jié)構(gòu)的一處薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)雙體船在航行中遭遇橫向波浪時(shí)，兩個(gè)片體存在一定的吃水差，此種情況下浮力與重力的不平衡將由連接橋來承擔(dān)。當(dāng)雙體船在航行中遭遇斜浪時(shí)，即波浪傳播方向和船長方向存在一定的夾角時(shí)，雙體船會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，片體將承受波浪扭矩的作用。因此，連接橋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是雙體船橫向強(qiáng)度中最重要的內(nèi)容。由此可見，連接橋在雙體船的總強(qiáng)度中起著十分重要的作用，有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。

2 建立有限元模型

2.1 雙體船船體參數(shù)

2.2 雙體船有限元模型

由于本次計(jì)算主要是對(duì)雙體船的連接橋強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，故計(jì)算模型應(yīng)包含船體主甲板以下的所有主要構(gòu)件：

（1）長度方向，包含從船尾至船首范圍內(nèi)的所有構(gòu)件；

（2）寬度方向，包含從左片體左舷至右片體右舷范圍內(nèi)的所有構(gòu)件；

（3）高度方向，包含從基線至主甲板范圍內(nèi)的所有構(gòu)件。

對(duì)所建立的實(shí)體模型經(jīng)過離散化處理形成有限元模型，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算。ANSYS提供了200多種單元可供用戶選用。本次對(duì)船體結(jié)構(gòu)的分析，所選用的單元類型主要有兩種，即SHELL63（殼單元）和BEAM188（梁單元）。網(wǎng)格劃分后得到有限元模型，如圖2所示，其共含有節(jié)點(diǎn)56 976個(gè)，單元59 307個(gè)，其中SHELL63單元42 398個(gè)，BEAM188單元16 909個(gè)。

3 載荷計(jì)算及邊界條件

3.1 雙體船橫向彎矩

此扭矩對(duì)于船體的作用，可以通過施加在片體上的垂向剪力來模擬。此剪力可以用均布線性載荷P來等效，如圖5所示。當(dāng)然也可以用其他合適的方法來等效。但無論采取哪一種方法，都應(yīng)當(dāng)使每一部分相同方向的剪力之合力分別作用于片體前后部分的中心處。本文采用在片體底部中縱桁上施加均布節(jié)點(diǎn)力的形式來模擬MP的作用。首先計(jì)算得到在片體中前部分和中后部分所需施加剪力的合力，其值為MP除以船長的一半。然后再求得每個(gè)節(jié)點(diǎn)所需施加節(jié)點(diǎn)力，其值為剪力合力值除以片體中前部或中后部需要施加節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

在此種工況下，可以在船中和船首部位主甲板上選取三個(gè)點(diǎn)施加邊界條件。所選取的點(diǎn)如圖6所示，每個(gè)點(diǎn)所施加的約束如表2所示。

4 有限元分析

4.1 橫向彎曲工況

4.2 扭轉(zhuǎn)工況

在不同步縱搖扭矩的作用下，計(jì)算結(jié)果見圖9、圖10。此時(shí)，連接橋和片體總體出現(xiàn)了反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)變形。整個(gè)連接橋結(jié)構(gòu)尾部的應(yīng)力明顯大于首部，此時(shí)主甲板上的整體應(yīng)力水平比橫向彎曲工況時(shí)要大，但分布規(guī)律基本相同。在18號(hào)肋位處升高甲板出現(xiàn)最大應(yīng)力，為10.7 Mpa；在主甲板的艙口處出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為18.1 Mpa。

從整體上看，連接橋底板靠近首尾區(qū)域的應(yīng)力較大，而船中部分應(yīng)力相對(duì)較小，尤其在船尾底板與片體相接處出現(xiàn)了最大應(yīng)力為22.1 Mpa。

5 結(jié) 論

（1）雙體船整個(gè)主甲板結(jié)構(gòu)橫向是連續(xù)的，即連接橋甲板與片體甲板是相連接在一起，不存在結(jié)構(gòu)上的突變；連接橋底板是一個(gè)橫向間斷的結(jié)構(gòu)，它只存在于兩個(gè)片體內(nèi)舷之間，結(jié)構(gòu)上存在突變。因此從總體上看，甲板的受力狀態(tài)要好于底板。

（2）在兩種工況下，連接橋是最主要的受力結(jié)構(gòu)，所以最大應(yīng)力均發(fā)生在連接橋上。應(yīng)力分布存在相似的規(guī)律：在主甲板上，存在橫艙壁的肋位處，甲板會(huì)出現(xiàn)加比較大的應(yīng)力；在連接橋底板上，每個(gè)肋位處和片體相連接部位會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，在有橫艙壁肋位處，應(yīng)力集中會(huì)加??；在靠近船體首尾區(qū)域的連接橋，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上的間斷，可能會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力。

（3）對(duì)于本船來說，18號(hào)肋位靠近船首且存在著橫艙壁，并且在此處主甲板突然升高，這些原因都導(dǎo)致該處的受力惡化，在該處的主甲板及連接橋底板存在比較大的應(yīng)力；15號(hào)肋位也存在著橫艙壁，且在此處連接橋的底板在縱向上產(chǎn)生了變化，造成應(yīng)力集中；船首部位片體左右兩舷外板與連接橋底板三者相交處，結(jié)構(gòu)比較尖銳，也存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

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