高速三體船結構設計

許蘊蕾

（海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室 上海 200011）

0 引 言

三體船是利用三個并排片體所制造的波浪干涉來實現減小興波阻力的高性能船型。鑒于三體船具有獨特的船體結構形式，其結構載荷及強度特點與單體船和雙體船有所不同［1］。國內在強度評估和結構設計等方面的研究與國際上水動力方面的研究相比還有一定差距，為此，本文將對高速三體船的結構設計的方法進行一些探索。

1 高速三體船結構設計過程

1.1 高速三體船結構設計方法研究

船體結構設計的重點是在充分發揮材料作用的情況下，使用最小的結構質量，同時還要保證船體必須的穩定性和強度。結構設計通常是在已明確設計任務書且總圖和線型圖初步完成的前提下來決定結構構架形式、構件尺寸和連接方法的。對于特種船，非正常布置的創新船舶可以采用有限元直接計算法計算。對于軍用艦艇，要求的設計水平高，結構質量控制嚴格，對結構設計的合理性更為突出。基于以上兩點考慮，三體船的結構設計采用直接計算法［2］。

經過對已有船舶強度和疲勞評估方法的驗證，可以認定將其用于三體船強度評估和疲勞評估具有可行性。設計過程為:通過有限元直接計算法，使用規范中的工況給全船模型施加載荷，計算相應工況下全船的應力分布，再以規范法校核關鍵部位的屈服、屈曲情況，評估疲勞壽命；再與規范中的相關標準進行比較，對結構進行修改和優化。為使全船應力分布合理，避免局部區域應力過于集中或最大應力小于規范值，經過“設計-校核-改進”的循環反復，在保證結構滿足規范要求的前提下，力爭結構最優化。

1.2 主體的典型剖面設計

在初步確定全船的結構形式并經過論證之后，采用有限元直接計算法設計主體典型剖面。具體思路是:首先，給定上甲板和外底板相當厚度的初始值δ0和δ1，乘以一定的比例系數，得到其余縱向連續構件的相當厚度；然后，根據甲板的許用應力計算剖面模數，得到δ0和δ1的值；再根據船底處合成應力的許用應力進行船體縱向連續構件的第二次設計計算，利用插值法得到最終的δ0和δ1以及中和軸高度；最后便求得典型剖面上其余構件的相當厚度。

扶強材的設計一方面要滿足規范中關于扶強材尺寸和間距的要求，另一方面要保證板在承受最大載荷時的穩定性。從相當厚度扣除對應的扶強材厚度，便得到各部位的實際板厚。主體典型剖面的設計尺寸見圖1。

圖1 三體船典型剖面設計

1.3 主體和片體的型線連接

經水動力性能分析和線型優化，目前已成功獲得三體船水下部分的型值［3-4］。出于結構考慮，采用連接橋結構將主體和片體部分連接。對已有的三體船主體、片體型線（5.33 m水線以下部分），向上延伸至濕甲板高度（12.936 m）；初步擬定主甲板和濕甲板的間距為2 m；再根據規范中的典型剖面和對美國軍方建造的涉海戰斗艦LCS Trimaran［5］的典型剖面形式的解讀，初步擬定主體和片體的連接形式，并將主體和片體的型線連接，經插值產生新的型值點。型線圖如圖2所示。

圖2 三體船型線

1.4 主體和片體的連接橋結構

三體船主體和片體的連接是通過連接橋來實現的。對于三體船而言，橫向彎矩和縱向扭矩是重要載荷，因此，主體和片體的連接部位采用橫骨架形式，艙壁貫穿主體和片體，在兩道貫穿艙壁之間設置強框架，保證強度要求。連接處采用圓弧過渡舷臺結構減少應力集中，并在連接橋靠近主體的一側加入了箱型梁結構。連接形式如圖3、圖4所示。

圖3 三體船主體、片體連接形式

圖4 三體船連接橋形式

1.5 總縱強度校核和連接橋強度規范的校核

三體船由一個主體和兩個對稱的片體組成，其主體較一般船舶更為狹長，長寬比在12～18之間。因此，三體船結構設計是否可行，首先要看其總縱強度是否滿足要求。三體船所受的縱向載荷由波浪彎矩和靜水彎矩組成，在初步設計過程中，靜水彎矩取為波浪彎矩的一半。同時，不考慮兩側的片體及連接橋部分對縱向抗彎強度的貢獻。由于自身特殊的結構特點，連接橋結構是否能夠滿足強度要求也至關重要。

參照勞氏船級社三體船規范［6］，按照中拱和中垂兩種情況計算出總縱波浪彎矩，分離彎矩和橫向扭矩。在主尺度，艙壁數量，肋距等必要數據初步確定的情況下，對總縱強度進和連接橋強度進行了校核。在材料為普通鋼（δyd=235 N/m2）的情況下，甲板、雙層底處的應力水平小于規范給出的許用值，連接橋部分在采用高強鋼（δyd=315 N/m2）以后，應力水平滿足規范要求。

2 結 論

本文采用有限元直接計算法對高速三體船進行了初步的結構設計，給出了一套比較完整的設計方案，經規范校核，總縱強度和連接橋強度均滿足勞氏三體船規范中的相關強度要求。本文中的高速三體船結構設計可為后續研究工作提供一定的依據。

［1］朱東華，劉見華.三體船結構設計問題［J］.船舶，2010（2）:30-33.

［2］楊代盛.船體強度與結構設計［M］.上海:上海交通大學出版社，1986.

［3］鄭律，叢剛，王耀輝.三體船側體位置優化設計研究［J］.船舶，2012（4）:23-27，37.

［4］鄭律，陳林，邱忠輝，等.三體船主體尺度對其在波浪中動態響應的研究［J］.船舶，2012（6）:8-12.

［5］AustalTrimaranTechnology［EB/OL］.［2013-05-04］.http://zh.scribd.com/doc/24675806/Austal-Trimaran-Technology-Jan-07.

［6］LR.Rules for the Classification of Trimarans［S］.2006.