SWATH船穩(wěn)定鰭設(shè)計(jì)載荷預(yù)報(bào)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

王凡超 王慧彩 伍友軍

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200001)

0 引 言

為了確保小水線面雙體船(SWATH)[1]的縱向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，大多數(shù)SWATH船通過安裝穩(wěn)定鰭來保證其縱向運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，穩(wěn)定鰭是保證船體以正常浮態(tài)航行和改善船體運(yùn)動(dòng)性能的關(guān)鍵設(shè)備.在穩(wěn)定鰭的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者公開發(fā)表的文章中的研究工作主要集中在水動(dòng)力特性分析[2-6]以及鰭對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)性能的影響方面，而對(duì)于穩(wěn)定鰭本身和鰭所在區(qū)域局部結(jié)構(gòu)的安全性及可靠性的研究卻少有涉及，并且現(xiàn)有規(guī)范中也沒有涉及穩(wěn)定鰭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的規(guī)定.鰭在海水中的承受的載荷較為復(fù)雜，除了鰭本身傳遞的載荷外還要受到波浪水動(dòng)壓力及船體運(yùn)動(dòng)引起的慣性載荷等[7]，以往穩(wěn)定鰭的載荷通常是根據(jù)設(shè)備商提供的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到，沒有考慮鰭與船體運(yùn)動(dòng)的相互影響，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來風(fēng)險(xiǎn)，因此，有必要探討較為準(zhǔn)確的鰭載荷計(jì)算方法，計(jì)算穩(wěn)定鰭壓力分布并通過加載到鰭葉上，進(jìn)而對(duì)穩(wěn)定鰭和其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行校核[8].

1 載荷計(jì)算

1.1 水動(dòng)力模型建立

計(jì)算首先在PATRAN軟件中建立帶穩(wěn)定鰭的船體粗網(wǎng)格有限元模型，再將該模型導(dǎo)入波浪載荷計(jì)算程序中，在波浪載荷計(jì)算程序中將目標(biāo)船表面進(jìn)行水動(dòng)力網(wǎng)格劃分.計(jì)算航速取為12 kn，波浪入射角取為0°～180°，間隔為45°，共計(jì)五個(gè)浪向.目標(biāo)船水動(dòng)力模型見圖1.

圖1 帶穩(wěn)定鰭的SWATH船的水動(dòng)力模型

1.2 考慮穩(wěn)定鰭升力和慣性力影響的運(yùn)動(dòng)方程修正

穩(wěn)定鰭上的升力可表示為

(1)

穩(wěn)定鰭上的升力矩可表示為

(2)

穩(wěn)定鰭上的流體慣性力為

(3)

因此，由鰭產(chǎn)生的總的垂向水動(dòng)力可表示為

Ff=L+K

(4)

由鰭產(chǎn)生的總的垂向水動(dòng)力縱傾力矩可表示為

Mf=-xfFf

(5)

同時(shí)，Mf,Ff又可分別寫成下列各種力之和

(6)

(7)

因此可得

(8)

將穩(wěn)定鰭的動(dòng)升力修正系數(shù)加入浮體運(yùn)動(dòng)方程[9]即可到到修正后的縱向運(yùn)動(dòng)方程[10]

通過修改現(xiàn)有的計(jì)算程序，求解修正后的運(yùn)動(dòng)方程可得到修正后船體的運(yùn)動(dòng)參數(shù).升沉和縱搖的RAO見圖2.

圖2 修正運(yùn)動(dòng)方程后升沉及縱搖運(yùn)動(dòng)RAO

1.3 分布?jí)毫τ?jì)算

在求解速度勢φj(j=1,2,…,7)，并獲得規(guī)則波中船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)解之后，便可確定繞射勢φD和輻射勢φR.根據(jù)線性化的伯努利方程，同時(shí)考慮到靜水壓力變化，可以得總的脈動(dòng)壓力

(9)

式中：

pS(x,y,z)=-ρg(η3+yη4-xη5)

2 設(shè)計(jì)載荷短期預(yù)報(bào)及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 穩(wěn)定鰭載荷短期預(yù)報(bào)

依據(jù)穩(wěn)定鰭載荷在規(guī)則波中的計(jì)算結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，得到航速為12 kn時(shí)，穩(wěn)定鰭的升力、轉(zhuǎn)矩在不同海況下的短期預(yù)報(bào)值(有義值)，見表1.

表1 穩(wěn)定鰭各載荷分量短期預(yù)報(bào)有義值

2.2 穩(wěn)定鰭載荷試驗(yàn)預(yù)報(bào)值

試驗(yàn)在不規(guī)則波中進(jìn)行，將穩(wěn)定鰭安裝在船模上，采用自航方式.試驗(yàn)海況為6級(jí)和7級(jí)，試驗(yàn)浪向?yàn)轫斃?°、艏斜浪45°、橫浪90°、艉斜浪135°和隨浪180°；試驗(yàn)航速為12 kn.測試參數(shù)為穩(wěn)定鰭升力和轉(zhuǎn)矩.對(duì)試驗(yàn)中記錄的鰭載荷(升力和轉(zhuǎn)矩)時(shí)間歷程曲線，采用時(shí)域統(tǒng)計(jì)方法，給出有義值.表2給出了穩(wěn)定鰭的升力和轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)有義值結(jié)果，其中鰭受到的升力向下為正值，向上為負(fù)值.所有結(jié)果已換算至實(shí)船結(jié)果.

表2 穩(wěn)定鰭的升力和轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)有義值結(jié)果

2.3 結(jié)果對(duì)比

將理論計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的有義值進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表3.

表3 穩(wěn)定鰭載荷分量短期預(yù)報(bào)值與試驗(yàn)值對(duì)比

通過理論和試驗(yàn)的結(jié)果可知：

1) 無論是六級(jí)海況還是七級(jí)海況升力和扭矩的結(jié)果都在0°和45°浪向達(dá)到較大值.

2) 將理論預(yù)報(bào)最大值和試驗(yàn)最大值進(jìn)行了對(duì)比可知，理論預(yù)報(bào)值比試驗(yàn)值偏小，但是兩者相差不到15%，理論預(yù)報(bào)結(jié)果比較準(zhǔn)確.理論值偏小可能是由于本文中載荷預(yù)報(bào)程序中用到的穩(wěn)定鰭的運(yùn)動(dòng)慣性力是基于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的，并沒有通過試驗(yàn)測量，導(dǎo)致阻尼系數(shù)的偏差，從而造成結(jié)果偏差.

3 穩(wěn)定鰭有限元強(qiáng)度分析

3.1 載荷的確定

鰭在海水中的承受的載荷較為復(fù)雜，艏、艉穩(wěn)定鰭通過與船體的連接將載荷最終傳遞到船體的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)上.此處船體的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)除了鰭本身傳遞的載荷外還要受到波浪水動(dòng)壓力以及船體運(yùn)動(dòng)引起的慣性載荷等.鰭傳遞給主船體的載荷又可以分為：重力、浮力、波浪動(dòng)壓力.其中波浪動(dòng)壓力考慮了波浪載荷和運(yùn)動(dòng)引起的慣性力成分.波浪動(dòng)壓力的具體計(jì)算方法是：通過對(duì)穩(wěn)定鰭表面壓力進(jìn)行積分，得到規(guī)則波中穩(wěn)定鰭所受升力響應(yīng)，以升力作為主控載荷確定設(shè)計(jì)波參數(shù)，見表4.計(jì)算此設(shè)計(jì)波下的鰭葉壓力分布，同時(shí)考慮到預(yù)報(bào)值比試驗(yàn)值偏小，出于結(jié)構(gòu)安全的考慮將鰭葉的分布?jí)毫χ到y(tǒng)一放大1.2倍，使設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值相當(dāng)，并將放大后的壓力分布加載到穩(wěn)定鰭的鰭葉，見圖3.

表4 穩(wěn)定鰭各計(jì)算工況對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)波參數(shù)

圖3 穩(wěn)定鰭波浪載荷加載及邊界條件示圖

3.2 直接計(jì)算結(jié)果

船級(jí)社對(duì)于穩(wěn)定鰭的強(qiáng)度衡準(zhǔn)并沒有明確的規(guī)定，考慮到穩(wěn)定鰭是布置在距船中較遠(yuǎn)的船首尾處，總縱彎矩較小，穩(wěn)定鰭的強(qiáng)度校核應(yīng)參照局部強(qiáng)度衡準(zhǔn).文獻(xiàn)[7]對(duì)于很多局部構(gòu)件的強(qiáng)度衡準(zhǔn)根據(jù)其重要程度和載荷特點(diǎn)取值都不同，其中系泊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度衡準(zhǔn)取為0.8σS,無缺口舵葉的強(qiáng)度衡準(zhǔn)約取為0.45σS，考慮到穩(wěn)定鰭對(duì)本船的重要性以及承受與舵類似的交變載荷，本文選取了0.45σS作為穩(wěn)定鰭的強(qiáng)度衡準(zhǔn).部強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見圖4和表5.

圖4 橫框架彎曲應(yīng)力云圖

表5 工況LC1穩(wěn)定鰭局部模型等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

通過強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果可知，等效應(yīng)力較大的位置為船體橫向隔板以及穩(wěn)定鰭外板與船體外板連接處等區(qū)域，等效應(yīng)力最大為51.6 MPa，應(yīng)力水平較低，均符合衡準(zhǔn)要求.

5 結(jié) 論

1) 通過理論預(yù)報(bào)值和試驗(yàn)值的對(duì)比可知，兩者相差不到15%，理論預(yù)報(bào)結(jié)果較為準(zhǔn)確.基于修改后的波浪載荷計(jì)算程序?qū)Ψ€(wěn)定鰭進(jìn)行載荷預(yù)報(bào)是可行的.

2) 直接將水動(dòng)壓力施加于鰭葉表面和船體表面的加載方法更準(zhǔn)確地反映了穩(wěn)定鰭加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，相比只考慮總載荷的經(jīng)驗(yàn)公式法更為準(zhǔn)確.

3) 從穩(wěn)定鰭結(jié)構(gòu)及加強(qiáng)區(qū)域的應(yīng)力云圖看，其應(yīng)力擴(kuò)散范圍不大，只在穩(wěn)定鰭結(jié)構(gòu)與船體連接處有一定的應(yīng)力集中，因此只需加強(qiáng)船體與穩(wěn)定鰭連接處結(jié)構(gòu)即能滿足強(qiáng)度要求.穩(wěn)定鰭結(jié)構(gòu)及加強(qiáng)區(qū)域的應(yīng)力較大處為穩(wěn)定鰭隔板和穩(wěn)定鰭外板與船體外板連接處等區(qū)域，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些區(qū)域，同時(shí)由于穩(wěn)定鰭受到的升力載荷在垂直方向，在鰭與外板連接的縱向范圍布置多道垂向的強(qiáng)構(gòu)件能起到有效地支撐作用.