小型雙體休閑船結構總強度計算

周俊霖， 夏小浩， 邵漢東

(1.揚帆集團股份有限公司， 浙江 舟山 316100； 2.浙江嘉藍海洋電子有限公司， 浙江 舟山 316100)

0 引 言

由于穩性好、舒適性好等眾多優點，雙體船成為海上休閑觀光、海釣的理想船型。本文結合中國船級社《海上高速船入級與建造規范(2015)》[1]及《材料與焊接規范(2015)》[2]的要求，采用MSC.Patran/Nastran軟件，對34.7 m雙體休閑船應用直接計算方法進行船體總強度(包括總縱強度、橫向強度和扭轉強度) 計算，采用全船整體三維模型進行總體結構分析，計算載荷以及總縱彎矩、總橫彎矩和總扭矩。

1 雙體休閑船結構強度計算

1.1 雙體休閑船相關參數和結構型式

目標船為鋼鋁復合結構、單底、單甲板、前傾艏、方艉、艉縱傾、雙體折角線型、雙機、雙槳、雙舵、艉機型雙體船。主船體由連接橋結構連接左、右兩個剛性水密片體組成的雙體結構以及艏附加體組成。主甲板以上設置兩層甲板室。甲板室全部采用橫骨架式、鋁合金全焊接結構。該雙體休閑船主要參數如表1所示。

表1 雙體休閑船主要參數

1.2 水動力載荷計算

采用SESAM軟件的Patran pre模塊建立目標船外表面模型，原點位于艉封板與船體中線交點處，x軸指向船首為正方向，y軸指向左舷為正方向，z軸垂直向上為正方向。各裝載狀態下的實船質量分布用沿船長方向分布的21根質量棒及其兩端的質量點模擬。在HydroD模塊中濕表面模型與質量模型組合成水動力模型，如圖1所示。

圖1 水動力模型

全船設置21個橫向計算剖面和7個縱向計算剖面。橫向計算剖面(T1～T21)沿船長方向均勻分布。縱向計算剖面沿船寬方向，L1為中縱剖面，L2和L3分別為左右片體與連接橋連接處剖面，L4和L5分別為左右片體中心線位置剖面，L6和L7分別為左右片體與舷臺相交處剖面。波浪頻率按波長與船長比的0.2～3.0確定，步長取0.1。浪向角取0°～180°，間隔為15°。

基于三維勢流理論，應用中國沿海波浪散布圖，用P-M波浪譜模擬散布圖中的海況，用二維Weibull分布擬合波浪長期分布，對波浪載荷進行長期預報，得到船舶在航行壽命期中10-8超越概率下各計算截面處的波浪垂向彎矩、總橫彎矩和扭矩的長期預報值，如圖2～圖4所示。計算得到滿載出港工況下垂向彎矩長期預報值在浪向角為180°(迎浪)時最大，總橫彎矩長期預報值在浪向角為90°(橫浪)時最大，扭矩長期預報值在浪向角為75°(斜浪)時最大。

船體所受總縱彎矩(中拱彎矩和中垂彎矩)用靜水彎矩(由完整穩性裝載計算書得到)加上波浪彎矩確定。

圖2 波浪垂向彎矩長期預報值

圖3 總橫彎矩長期預報值

圖4 扭矩長期預報值

1.3 全船有限元模型

建立雙體休閑船整船結構三維有限元模型。采用板殼單元模擬船體外板、甲板、艙壁、肋板、隔板等板材以及強橫梁、強肋骨、桁材的腹板，采用梁單元模擬肋骨、縱骨、加強筋、扶強材、桁材的面板等[3-4]。網格大小按肋距和縱骨間距劃分。網格單元的邊長比須小于3。整船模型的單元數量為49 712個，節點數為34 112個。全船有限元模型如圖5所示。

圖5 全船有限元模型

坐標系統采用右手笛卡爾坐標系，原點O位于FR 0號肋位船底中線處，x軸從船尾指向船首為正方向，y軸從右舷指向左舷為正方向，z軸垂直向上為正方向。

(1) 邊界條件。給有限元模型施加邊界條件，約束6個位移分量以限制模型的空間剛體運動，并且不能影響各部分結構的相對變形[5-9]。在雙體釣魚船中縱剖面上取艏、艉部各1點A和B，中部舷側1點C。A點約束x、y、z方向的3個位移分量，B點約束y和z方向的2個位移分量，C點約束z方向的分量。邊界條件示例如圖6所示。

圖6 邊界條件示例

(2) 材料參數 。主船體及連接橋材料采用CCSA級船用鋼材。所有甲板室圍壁板材采用5083-H321鋁合金材質，所有甲板室型材采用6082-T6鋁合金材質。主船體及甲板室之間采用鋁鈦鋼三復合過渡接頭3A21+TA2+CCSA連接。材料參數：鋼的彈性模量取2.06×105N/mm2，鋁合金的彈性模量取0.70×105N/mm2；泊松比ν= 0.3。

1.4 載荷施加

1.4.1 總縱彎矩加載

《海上高速船入級與建造規范》(簡稱《規范》)假定船體總縱彎矩沿船長方向按正弦函數曲線形式分布，其表達式為

(1)

式中：x為從艉垂線量起的橫剖面縱向坐標；L為船長。

函數曲線的幅值為船中橫剖面的總縱彎矩My,B值。

M(x)與施加沿船長分布的垂向力q(x)等效，q(x)(向上為正)計算式為

(2)

(3)

分別計算中拱與中垂兩種情況，在有限元模型片體甲板中線上施加沿船長分布的q(x)，施加到有限元模型上的節點力為q0/2。 在MSC.Patran軟件中模型的加載如圖7和圖8所示。

圖7 總縱彎矩加載(中拱)

圖8 總縱彎矩加載(中垂)

1.4.2 總橫彎矩加載

根據《規范》，用總橫彎矩Mx,B計算等效的橫向對開力Fy的公式為

(4)

式中：z為設計水線到連接橋中橫剖面中和軸的距離，m；d為設計吃水，m。

將橫向對開力施加于模型吃水的一半高度處，如圖9所示，分別按向外作用和向內作用的兩個工況進行計算。

圖9 橫向對開力加載示例

在實際計算時，將Fy換算為分布在連接橋整個長度范圍內的分布載荷施加于船體模型，分布載荷q的計算式為

(5)

式中：Lb為連接橋縱向長度，m。

將分布載荷q換算成等效集中力P，作用于船體橫向強框架上。P計算式為

(6)

式中：S1和S2分別為橫向強框架的前后間距，m。

施加到模型上的節點力為P/2，在MSC.Patran軟件中模型加載如圖10和圖11所示。

圖10 橫向對開力加載(向外)

圖11 橫向對開力加載(向內)

1.4.3 總扭矩加載

根據《規范》，雙體船繞船寬方向y軸的總扭矩My,t以作用在片體半船長上反對稱分布的均布載荷p來等效。反對稱分布指的是：在同一片體上以中橫剖面為分界，前后載荷的方向相反，左右片體上載荷的方向也相反，如圖12所示。

圖12 等效均布載荷加載示例

等效均布載荷計算式為

(7)

使用集中力的形式加載時，其大小等于分布力與加載區間長度的乘積。對于該雙體船，加載區間即片體甲板的長度，該區間節點的數量為128個。在MSC.Patran軟件中模型加載如圖13所示。

圖13 總扭矩加載

2 屈服強度計算結果

2.1 許用應力

雙體休閑船各構件的最大計算應力應不大于表2所列的許用應力。

表2 總強度許用應力

本船主船體采用CCSA級鋼，取σSW=σS=235 MPa；上層建筑結構全部采用鋁合金材料，板材用5083-H321，取σSW=215 MPa，型材用6082-T6，取σSW=250 MPa。

2.2 計算結果與分析

在雙體休閑船結構總強度分析中，計算的載荷組合工況如表3所示。

各工況的整船等效應力分布如圖14所示。

由圖14各工況下整船von Mises應力計算分布可得主船體應力分析結果如表4所示。主船體板單元最大等效應力和最大剪應力出現在工況LC 01和LC 02，即橫向對開力作用時；梁單元最大正應力出現在工況LC 07和LC 08，工況LC 07和LC 08的應力大于工況LC 09和LC 10的應力。這說明：主船體最大應力受總橫彎矩影響最大，其次為扭矩。在LC 03～LC 06工況時，主船體的應力較小，說明總縱彎矩對該雙體休閑船的屈服總強度影響不大。

表3 計算工況

表4 主船體應力分析結果匯總

關鍵構件在最危險工況下的應力結果如表5所示。

表5 關鍵構件應力結果

圖14 整船等效應力分布

圖15～圖20為最大應力工況對應的關鍵構件應力云圖。

圖15 上層建筑等效應力(LC 01)

圖16 片體主甲板等效應力(LC 07)

圖17 橫艙壁等效應力(LC 01)

圖18 橫框架等效應力(LC 01)

圖19 連接橋結構等效應力(LC 07)

圖20 船底龍骨等效應力(LC 07)

3 結 論

對34.7 m雙體休閑船進行了整船結構總強度分析，計算結果表明：

(1) 對于雙體船的結構總強度來說，總橫彎矩的影響最大，其次為扭矩，總縱彎矩影響較小。因此，在進行雙體船船體結構設計時，應注意加強連接橋抗橫彎和扭轉的強度，可采取適當增加連接橋上封閉式箱型結構等措施。

(2) 由總強度計算結果發現，橫向構件應力較大，尤其是連接橋部位、強框和橫艙壁圓弧處。連接橋結構的應力分布與片體結構的布置密切相關, 連接橋中與片體橫艙壁相接的橫隔板的計算應力相對較大，而與片體橫艙壁錯開布置的橫隔板的計算應力相對較小，說明連接橋結構的應力大小與在對應處與其相接的片體結構的剛度有很大關系。連接橋甲板的應力相對較小而連接橋底板的應力相對較大，這是因為連接橋甲板與片體甲板保持連續，而連接橋底板在橫向是間斷的。連接橋與片體橫艙壁連接處的甲板、底板以及橫隔板等有明顯的應力集中現象，所以在結構設計時應特別考慮連接橋與片體相接處的結構和連接方式。

(3) 扭矩作用下雙體船連接橋首尾部的應力相對較大, 中間部分應力相對較小。由于雙體船在扭矩作用下連接橋首尾部的主要是抗扭結構，因此應保證連接橋首尾部結構有足夠的強度。

(4) 該雙體船的上層建筑尤其是第一層甲板室較大程度地參與了橫向和扭轉強度，能有效改善主船體的應力狀態，對總縱強度的影響程度很小。

(5) 在橫向組合應力作用下，機艙外龍骨也存在局部較大應力，特別是在機艙區域，在設計建造時應注意。