新型高速M型船強度計算研究

周 欣 徐 峰 鄭紹文

(海軍駐上海江南造船(集團)有限責任公司軍代表室1) 上海 201913) (中國艦船研究設計中心2) 武漢 430064)

0 引 言

M船型集中常規滑行船、高速雙體船和氣墊船之長[1]，因其優良的消波性能、突出的穩性和良好的操縱性、寬敞的甲板面積和有效載荷及在逆風浪中高速航行時的卓越性能，是各類船型中最具競爭力的一種新船型[2]，有著廣闊的應用前景.

近年來，M船型越來越受到世人的關注，已成為高性能船舶領域的研究熱點之一.目前國內M型船的研究主要集中在水動力理論、模型試驗、船型優化，以及概念設計等方面.陳輝等[3]應用商業FLUENT軟件對M型船的阻力進行了數值模擬；唐建飛等[4]應用模型試驗對M型船的阻力特性進行了研究.而關于M型船結構分析僅有少量對類似船型的研究公開，周清華等[5]對三體船展開了基于波浪載荷直接計算的總縱強度評估研究；許蘊蕾[6]應用直接計算結合規范校核的方法對三體船進行了結構設計和強度評估方面的研究.針對M型船本身結構和載荷的復雜性，本文以一艘新型高速M型船為例，開展強度計算研究.

1 概 述

M型船由三部分組成：字母M的中部為主船體部分，主要用來排水，為船體提供浮力；字母M的兩個腳則是船體的兩個圍壁，其主要作用類似于氣墊登陸艇的圍裙，起密封的作用；字母M的中間空白部分則為空氣通道.

結構的優化設計和強度校核是新船型研發中的重要環節[7-8].由于新型高速M型船底部結構復雜多變，其結構設計尚無有效的規范可循，只能參考相近規范并采用直接計算法來進行結構設計.通常規范設計是采用船體梁剖面模數理論[9-10]，即認為距離橫剖面中和軸相等的構件應力值是相同的，甲板或底部構件沿船寬方向應力是一樣的，實際上船體沿寬度方向的應力是變化的，在特殊結構連接部位應力變化也較大.所以整船有限元分析也可作為規范設計的一種補充手段，通過分析描示結構應力分布的不均勻性，真實的預報船體結構變形，及時發現船體高應力部位，使設計者在設計中能根據船體的應力分布狀態合理的分配材料，對高應力部位及早采取措施，對船體變形有特殊要求的部位進行控制，避免船體結構在航行或工作中產生損壞，從而使船體結構設計更加趨于合理[11].

為了更加真實直觀的了解本船在航行工作狀況下的船體結構特別是M型連接橋底板結構的應力狀態和變形形態，在充分發揮材料作用的情況下，獲得船體結構最小質量，以保證航速.現在對全船結構進行整船有限元分析計算，以考察全船的縱向強度、底部M型連接橋的橫向強度.

本船結構尺寸按照文獻[12]初定.主船體采用高強度鋁合金材料，其材料及屈服強度見表1.

表1 M型船結構材料屬性 MPa

主尺度見表2.

典型橫剖面見圖1.

圖1 M型船典型橫剖面

2 總強度計算

對于船長L小于或等于50 m的非纖維增強塑料單體船、雙體船、水面效應船和全墊升氣墊船，如果其L/D小于14，且船體結構能滿足本章的局部強度要求，則可免于校核船體的總縱強度.本船參考執行.

2.1 計算模型

在三維笛卡爾坐標系中建立全船有限元計算模型.船寬方向為y軸，正方向由右舷指向左舷；型深方向為z軸，正方向由基線指向甲板；船長方向為x軸，正方向由船尾指向船首.

整船計算模型中將甲板板、舷側外板、船底板、縱橫艙壁板、油艙頂板和鋪板、M型連接橋底板等用Shell63板殼單元離散，將甲板縱桁、甲板縱骨、強橫梁、普通橫梁、肋骨、舷側縱骨、中內龍骨、旁內龍骨、底縱骨、艙壁豎桁和扶強材等骨材均采用Beam188梁單元離散.該船整船三維有限元計算模型見圖2.

圖2 主船體三維有限元模型

建模過程中，為減少建模工作量，提高計算效率，假設到甲板室不參與總縱強度，甲板室采用質量元作用在主甲板相應節點上.

2.2 邊界條件

全船調整載荷平衡后，當全船力系平衡時，支反力理論上應為零，這樣，模型在計算中不會產生剛體位移，但在實際加載中要做到支反力絕對為零是不可能的，只能趨近于零.此時，在模型首端取剛性固定，約束x，y，z三個方向的位移和轉角；在模型尾端取自由支持，僅約束y，z二個方向的位移及部分轉角，以消除不平衡力對計算的影響.而支座對全船應力狀態的影響可以忽略.

2.3 載荷條件

全船主要固定機電設備及舾裝設備均按其在船上的位置用質量單元加在相應節點上；計算考慮結構模型自重，構件質量密度取2.80 t/m3，重力加速度9.8 m/ s2；模型中位移單位為mm，應力單位為Pa.

由于本船是M型新船型的內河高速船，航速較高，船底主要受到波浪沖擊壓力，經計算，在最大航速航行狀態下，各艙室底部和舷部外板所受到波浪載荷見表3.在相應區域施加靜水壓力以及表3所示的波浪載荷.

表3 最大航速航行狀態下，各艙室底部和舷部外板所受到波浪載荷 kPa

2.4 連接橋結構橫向強度分析

船底板架橫向強度應力云圖見圖3.由圖3可知，橫向最大壓縮應力為16.2 MPa，位于機艙區連接橋底板附近.

圖3 船底連接橋板架橫向強度應力云圖

由圖3可知，本船結構在最大航速的考核工況下，船體底部連接橋遂道部位應力狀態良好.

3 局部強度計算

在對全船結構進行整船有限元分析計算后，尚需對船體結構最薄弱的艙段進行局部強度校核，以確保結構設計的安全可靠.

3.1 計算模型

在三維笛卡爾坐標系中建立大開口區域艙段(#13～#22)的有限元模型，垂向范圍為船體型深.坐標系和模型簡化離散方式同2.1.

參考相關計算分析指南，需取1/2艙段+1艙段+1/2艙段進行建模并考慮到左、右舷對稱條件，本計算模型的建模范圍取#8～#27，三維有限元模型見圖4.模型中單元總數3 776個，其中shell單元1 792個，beam單元1 980個，MASS21單元4個.

圖4 艙段三維有限元模型

3.2 邊界條件

在#8及#27端面分別建立1個獨立點，將每個端面的節點的與其相關聯，即建立剛性域，然后約束#8端面獨立點的及#27端面獨立點的.

3.3 載荷條件

本艙段共有2臺主機(3 890 kg/臺)，2臺輔機(300 kg/臺)，其主要固定機電設備及舾裝設備以及部分甲板室質量均按其在船上的位置作為外力加在相應節點上；計算考慮模型自重及端面彎矩.構件質量密度取2.80 t/m3，重力加速度9.8 m/s2.

靜水壓力和表3的波浪載荷以壓力的形式施加在模型相應區域.自重以慣性力的形式施加.端面總彎矩取本艙段最危險狀態(波峰狀態)下的砰擊彎矩為計算彎矩，經計算，#8附近端面彎矩為1 374.5 kN×m，#27附近端面彎矩為1 546.4 kN×m.

3.4 局部強度計算結果分析

計算艙段的Von Mises應力云圖見圖5，波浪載荷工況下各部位結構的最大應力見表4.全艙段的Von Mises變形云圖見圖6.

圖5 立體艙段的Von Mises應力云圖

結構名稱位置最大應力值/MPa許用應力/MPa是否滿足要求甲板板 #13甲板大開口轉角處60.896.0是舷側板 #13～#14舷頂列板處56.596.0是船底板 #8～#11平板龍骨處50.996.0是艙段構架 #13～#14甲板縱桁面板處66.991.3是

圖6 立體艙段的Von Mises變形云圖

上述板單元的計算結果取單元形心處的中面相當應力，梁單元的計算結果取軸向應力.

4 結 論

1) 在橫浪工況下，船底連接橋局部結構存在一定的應力集中現象，高應力出現在連接橋與主船體相交處的橫艙壁附近的局部區域.

2) 大開口區域應力水平較高，將近達到許用應力的70%，可見對于類似船型，局部強度仍是結構設計的重點，不容忽視.

3) 整船有限元分析作為一種有效的設計手段，能顯示出結構應力分布的不均勻性，使設計者在設計中能合理的分配材料，從而使船體結構設計更加趨于合理.