小水線面雙體船結構有限元分析

岳興華　毛斌峰　趙經玲　侯德軍

摘? ? 要：小水線面雙體船是一種綜合性能優良并具有廣泛應用前景的新船型。此種船型其結構相對單體船更為復雜，設計時尤其需要重視結構總橫強度及扭轉強度問題。基于大型有限元軟件SESAM，對某小水線面雙體船采用直接計算方法進行結構強度分析，表明在橫浪和斜浪情況下對其橫向強度及扭轉強度影響明顯，應重點考慮特殊部位結構加強。總結出強度校核方法，并給出具有一定實用價值和工程指導意義的結論。

關鍵詞：小水線面雙體船;有限元;橫向強度;扭轉強度

中圖分類號：U661.4? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： SWITH is a new type of ship with excellent comprehensive performance and wide application prospect. The structure of this type of ship is more complex than that of a mono hull ship， so it is necessary to pay special attention to the problems of total transverse strength and torsional strength. Based on the finite element software SESAM， the direct calculation method is used to analyze the structural strength of a SWITH. The results show that the transverse strength and torsional strength of the SWITH are obviously affected by the transverse and oblique waves and the strengthening of the structure of special parts should be considered. The strength checking method is summarized， and the conclusion with certain practical value and engineering guiding significance is given.

Key words： Small water-area twin hull vessel （SWATH）; Finite element; Transverse strength; Torsional strength

1? ? ?前言

小水線面雙體船由提供浮力的下潛體、作為連接和提供水線面積的立柱及寬敞的上船體組成。具有甲板空間大、穩性好、水動力性能優良等優點。

小水線面雙體船既兼容了雙體船、潛艇和水翼船的優點，又克服了這些船型的缺陷，成為了綜合性能優良的新船型[1]。 從二十世紀后期開始發展就備受矚目，被廣泛使用在科考、軍事、客運、旅游觀光等領域，并逐漸向高速化、大型化的方向發展[2]。

由于雙體船的結構相對單體船更為復雜，其結構強度不同于單體船的主要考慮總縱強度，而更重要的還需考慮船體的總橫強度及扭轉強度問題[3]。在分析雙體船的總橫強度及扭轉強度時， 一般采用有限元分析程序進行分析計算。

本文利用大型有限元分析軟件SESAM，對某35m小水線面雙體科考船的總橫強度及扭轉強度進行分析。本船根據中國船級社《小水線面雙體船指南》（2005）（以下簡稱“指南”）及《國內航行海船建造規范》（2015）設計。但是“指南”中關于連接橋設計的內容很少， 只在總強度要求中提出應校核在波浪中航行時的總橫強度和扭轉強度[4]。

2? ? 結構形式及模型

2.1? ?主要尺度及結構形式

該船為橫骨架式、單底結構、有首升高甲板的鋼結構船舶。采用雙機、雙槳、雙舵推進系統;甲板以下共設5 道水密艙壁;為加強雙體船的橫向和縱向強度，在連接橋底板與甲板之間采用縱向和橫向強力隔板對其進行加強，并且連接橋縱向貫通整個船體。

2.2? ?結構模型

該船結構模型范圍為：縱向為整個船長;橫向為整個船寬;垂向為從基線至主甲板。結構模型取主甲板以下全船結構，左右對稱;模型舷側外板、連接橋甲板、連接橋底板、橫艙壁/隔板、強橫梁腹板、縱桁腹板以及其他強構件腹板等全部采用三節點或者四節點的板單元進行離散;其他加強筋和縱骨等普通構件以及強構件面板等采用兩節點梁單元進行離散;結構模型單元總數為60 523、節點總數為42 653。整體有限元模型，如圖1 所示。

3? ? ?載荷工況及邊界條件

3.1? ?載荷工況

3.1.1總體橫向彎矩

根據“指南”第3.2.2節[5]，小水線面雙體船所遭受的橫向波浪載荷，通常為最大橫向載荷。總體橫向彎矩MTR，由橫向對開力Fy作用形成的彎矩MF和船體所受到的浮力（PS+PLR）及船體重力（PDL_B+PDL_S）合成作用形成的彎矩MDL組合而成：

3.1.2 總體水平扭矩

根據“指南”第3.2.3節，當小水線面雙體船遭受斜浪或由于船體前后線型存在布置上的實際差異時，致使橫向對開力Fy沿船長方向產生不均勻的分布狀況，其受力之差使兩個片體在水平面內形成首分離力矩，并發生相對扭轉，則需按以下加載方式模擬水平扭矩作用效果：

3.1.3? 總體不同步縱搖扭矩

根據“指南”第3.2.4節，小水線面雙體船兩個片體之間的不同步縱搖運動產生的對水平橫向軸的縱搖扭矩MP，其值取下列兩式計算所得之大者：

MP可用均布線載荷等效，也可采用其他合適方法等效，但應使其每一部分的作用中心位置保持在前船體和后船體的中心處。

3.1.4 載荷組合工況

根據“指南”第3.2.7節，小水線面雙體船每一種浪向角所表征的船體最大載荷如下：

（1）浪向角90°——最大橫向彎矩和垂向剪切;

（2）浪向角45°/135°——嚴重的扭矩組合工況。

小水線面雙體船結構總體分析的載荷計算工況，應按上述原則進行組合，對橫向強度、扭轉結構強度進行校核。表1給出了全船總體結構有限元直接計算的設計載荷計算工況。

3.2? ?邊界條件

根據“指南”第5.2.3節，船體結構模型在各外力的作用下應處于平衡狀態，因此邊界支點符合以下要求：

（1）支點反力應盡可能為零;

（2）對整體模型的剛體移動進行約束。

4? ? 分析計算結果

對上述前8個工況進行了分析計算，給出對應工況下板材和骨材結構的相當應力并進行強度校核。全船采用AH36高強度鋼材，屈服強度為355 MPa，根據“指南”第5.3.1節，許用相當應力為0.85倍的屈服強度。表2為各工況結構應力校核結果。結構應力云圖如圖2～圖9所示。由于本船左右完全對稱，應力云圖只需顯示一半船體結構。

5? ? 結語

（ 1） 由表2可知：本文的小水線面雙體科考船總橫強度和抗扭強度滿足規范要求;

（2） 從總橫強度工況和扭轉強度工況校核的對比結果可以看出：對該小水線面雙體船船體強度影響較大的是橫向強度，且連接橋和立柱接口部位應力較其他位置應力要大，應重點考慮對該部位加強;

（3） 從計算結果可以看出：扭轉強度要比橫向強度小約30%。扭轉工況下，在靠近船中部分的扭轉應力和應變較小，但是在連接橋靠近首部和尾部的應力、應變都較大，結構設計應注意連接橋首尾處的結構加強。

參考文獻

[1]? 吳先彪，譚家華. 40米鋼制雙體船強度直接計算分析[J]. 中國海洋平臺，2005，20 （2）：20-24

[2]? 陳超核， 楊永謙.有限元分析雙體船扭轉強度[J].海南大學學報自然科學版， 2000， （6）：126 -130.

[3]? 鄭杰，謝偉.穿浪雙體船橫向強度與扭轉強度的有限元計算[J].中國艦船研究，2010.

[4]? Subramanian V A. Numeric design and evaluation of swath form[J].?International Shipbuilding Progress， 2002， 49（2）：95-125.

[5] China Classification Society. Guidelines of Small Waterplane Area Twin Hull?Craft [S]. Beijing： China Communication Press， 2005.