基于Smith法的高速巡邏艇極限強度評估

陳亮亮+簡開勇+朱小楠+羅慧明+鄧建通

摘 要：針對高速巡邏艇的極限強度評估問題，根據中國船級社《水面艦艇入級規范》（2011）的要求，給出了極限強度評估流程。以某新設計的高速巡邏艇為例，采用規范法計算了船體梁承受的極限彎矩，編寫了校核在中垂和中拱工況下船體梁橫剖面的極限彎矩能力的計算程序，根據程序計算結果對該艇進行了極限強度評估。結果表明，本文方法使用方便，精度滿足工程要求，可為此類船型的極限強度計算提供參考。

關鍵詞：高速巡邏艇；極限承載力；極限彎矩；Smith法；強度評估

中圖分類號：U661.4 文獻標識碼：A

Abstract：This paper focuses on the ultimate strength of fast patrol boat and presents the whole evaluation procedure according to the requirement of the CCS Rules for Classification of Surface Naval Ship 2011.By taking a newly designed fast patrol boat as an example， the ultimate bend moment is calculated by the rule formula， and a code for calculation of ultimate capability under sagging and hogging conditions is developed， the codes calculation results are used to evaluate the hull girder ultimate strength of the boat. The result shows that this method operates conveniently with enough precision and can give reference for ultimate strength evaluation of the boat.

Keywords：Fast patrol boat； Ultimate capability； Ultimate bend moment； Smith method； Strength evaluation

1 前言

高速巡邏艇航速較快，結構重量較輕，在設計過程中會對其結構進行充分的優化。為了保證其結構安全，合理的評估其極限強度顯得非常重要。準確計算其船體遭受的極限外載荷和評估其船體極限承載能力對高速巡邏艇的設計和營運具有重要意義。

本文首先基于CCS規范[1]給出的外載荷計算公式求得某高速巡邏艇的設計載荷，然后采用Smith法計算了船體極限承載力的計算流程，并根據規范要求進行了極限強度評估。

2 船型概述及計算流程

Smith法是計算船體極限彎矩的常用方法，其原理是增量-迭代法，也是目前CSR規范中推薦的計算方法[9]。通過逐漸增加船體縱向彎曲曲率的形式反映剖面構件的破壞過程，結合離散后的有效單元的力學性能分析，得到船體梁的彎矩-曲率曲線。當曲線的斜率減小至零時，所對應的彎矩即為船體梁的極限彎矩，如圖1所示。Smith法考慮了構件的后屈曲特性，具有良好的精度，使用簡單方便。

在計算中僅考慮船體梁垂向彎曲，忽略了剪力、扭轉載荷、水平彎矩以及側向壓力的影響。

2.1 計算流程

船體梁總縱極限彎矩是船體梁的最大彎曲承受能力，超過此值船體結構將會被破壞。

（1）將船體梁橫剖面離散成結構單元，即縱向加筋板格、硬角及橫向加筋板格單元；

（2）導出所有單元的應力—應變曲線；

（3）導出期望的最大要求曲率。每一計算步的增量為。初始步的曲率增量，取為。根據船體梁橫剖面的彈性剖面模數Zv-net50得到第一步計算的中和軸位置ZNA-1；

（4）對各單元（序數j），計算其對于曲率的應變、對應的應力及單元上的力；

（5） 通過檢查剖面 上的總軸向力來確定新中和軸的位置ZNA-i，并調整ZNA-i的位置直到為止。

單元受壓時為正，受拉時為負，重復步驟4 和5 直至達到平衡。當中和軸的變化小于0.000 1 m 時，即認為已達到平衡；

（6） 將各單元力的貢獻相加，得到相應的彎矩：

（7） 按增加曲率，用當前中和軸位置作為下一步計算的初始值并重復步驟（4）到（6），直至達到最大要求曲率。

極限強度為M-k曲線的極值，若曲線的極值沒有出現，則增加最終曲率Kf，至極值出現為止，計算流程見圖2。

2.2 單元劃分

（1）硬角單元：硬角單元是船體梁橫剖面上剛度較大的構成單元，主要按彈性-塑性失效模式損壞，這些單元一般由兩塊不共面的板組成。硬角單元離板交點的范圍是在橫向加筋板上取20 tn50，在縱向加筋板上取0.5 s，見圖3。

（2）普通扶強材單元：包括一個普通扶強材和帶板。當扶強材兩側的板格是縱向加筋時，取帶板寬度為普通扶強材的平均間距；當扶強材一側的板格是縱向加筋，另一側是橫向加筋時，帶板寬度取縱向加筋的寬度，見圖3。

（3）加筋板單元：將包括縱桁或舷側縱桁腹板的板格理想化為加筋板單元、普通扶強材單元的帶板或硬角單元。

板格分為如下兩類：縱向加筋板格，長邊沿縱向；橫向加筋板格，長邊沿與縱向垂直的方向。普通扶強材單元之間、普通扶強材單元與硬角單元之間或硬角單元之間的板作為加筋板單元，見圖3。表1給出了不同加筋板單元和普通扶強材單元的失效模式，不同失效模式對應的載荷-縮曲線參見[9]的附錄2。

3 高速巡邏艇的船體梁極限載荷計算

中國船級社《水面艦艇入級規范》[1]中給出了作用在整個船體結構上的船體梁載荷，也給出了作用在船體局部結構上的用以校核結構局部強度的設計載荷。

由于艦艇航速不同，導致船體所受外載荷的性質也不同。根據表1的數據，本艇相對速度=10.21>7.38，屬于高速船的范疇，因此，中拱計算彎矩和中垂計算彎矩按以下公式計算：

4 算例分析

4.1 船型概述

本文應用基于CCS規范[1]中給出的方法對某型高速巡邏艇進行船體梁結構的極限強度評估，該艇的有關參數見表2所示。

選取的船體校核位置如圖5所示，應用Smith法將中剖面離散為67個單元。

分別計算彈性—塑性失效、梁柱屈曲、扭轉屈曲、折邊型材制成的扶強材腹板局部屈曲、扁鋼制成的扶強材腹板局部屈曲和橫向加筋板格的屈曲等不同失效形式下的各單元應力值，計算時調整中和軸高度ZNA-i高度，得到各單元上的應力，并使該剖面的和應力為零，從而輸出剖面的和彎矩。然后遞增曲率，再次調整中和軸高度，輸出彎矩。最后繪制彎矩隨曲率的變化關系曲線。

根據增量-迭代法，以曲率為橫軸，垂向彎矩值為縱軸，繪制彎矩——曲率的曲線，如圖6所示。

5 計算結果與分析

根據規范[1]的要求，在船體任一橫剖面上的船體梁極限彎矩能力應滿足下式：

6 結論與討論

本文基于CCS《水面艦艇入級規范》（2011），對某新設計的高速巡邏艇的極限強度進行了計算。通過分析計算結果，可以得到以下結論：

（1）建立了高速巡邏艇的極限強度評估流程，根據評估要求可以采用規范公式計算船體所承受的極限彎矩；

（2）本文編寫了基于增量-迭代原理的Smith法極限承載力計算程序。Smith法考慮了材料屈服、結構單元屈曲以及后屈曲的特性，很好地反映了船體剖面的實際破壞過程；

（3）本文建立的流程計算快捷，結果準確，可為今后類似的船體梁載荷和極限承載能力計算提供參考。

參考文獻

[1]中國船級社.水面艦艇入級規范[S].人民交通出版社，2011.

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