噴水船主船體的強度分析

曹 茜， 孟 巧， 劉天路 ，鄭 策

(南通理工學院 電氣與能源工程學院，江蘇 南通 226002)

0 引言

作為一種新型的海上運輸方式，噴水船具有淺吃水、附件阻力小、保護性能好等諸多優點，其應用范圍越來越廣泛[1]，在高速推進技術上的優勢也逐漸顯現。由于噴水船在航行時船體所遭受的載荷以及結構所承受的強度與普通船型有所不同，因此，在噴水船結構設計中，如何采用適當的方法對船體強度進行精確的計算分析，并根據分析結果對船體結構進行優化設計顯得尤為重要。本文利用大型有限元分析軟件ANSYS對南通理工學院大創項目(xdc2018007)中自主設計的噴水推進船模的主船體強度進行仿真分析，計算出不同工況下噴水船的應力分布，優化主船體的局部結構，根據中國船級社(CCS)《鋼質海船入級與建造規范》進行校核，為噴水船的模型設計提供技術指導和理論依據。

1 噴水船模介紹

本文設計的船模采用的是泵壓噴水推進，材質為木材、ABS板，主船體外敷設玻璃鋼保持水密性。船模主尺度如下：

總長80 cm，型寬20.33 cm，形深8.64 cm，設計吃水4.5 cm。

首先在CAD軟件中對本船的橫剖線圖進行設計與調整。根據船體的板材形狀，依次進行板材創建，將型線圖中的橫剖線圖導入到三維建模軟件UG中使其三維化，利用UG軟件中的翻轉和偏移命令，將二維的型線圖三維化。船體表面結構、內部結構三維效果分別見圖1和圖2。三維模型完成后，保存成.stp格式，導入ANSYS Workbench中進行強度計算。

圖1 船體表面結構三維圖

圖2 船體內部結構三維結構圖

2 計算結果及分析

將建好的模型導入ANSYS Workbench之后，進行網格劃分、施加載荷、設置邊界條件、強度計算，最后對結果進行相應分析。

2.1 網格劃分

在菜單欄中選擇網格選項中的創建網格，對船體甲板位置創建四面體網格，船體位置創建規則六面體網格，全局網格尺寸為10 mm。網絡劃分效果見圖3～圖5。

圖3 甲板位置網格劃分圖

圖4 船體外板網格劃分圖

圖5 整船網格劃分

2.2 邊界條件和載荷

為了消除剛性位移，必須對船體施加約束。為避免由于靜力不平衡導致約束點產生較大的支反力而影響計算結果，根據中國船級社(CCS)規范要求，本文選取4個遠離船中區域的點施加自由度約束：節點1在Y方向位移固定，節點2在X、Y、Z3個方向位移固定，節點3和4都在Z方向上固定，具體約束施加見圖6。

圖6 約束施加圖

本文主要選取空載出港和滿載出港2個工況作為研究工況。空船質量主要由船模的木材、玻璃鋼等材質的質量和噴水泵的質量組成。空船質量為2 kg簡化為均勻分布在船體的質量力。為了計算方便，在船模上表面施加一個均布載荷q，滿載工況下簡化為船模表面多增加一個均勻分布的質量為8 kg的物體。

2.3 結果分析

本文主要對空載和滿載2個工況進行強度仿真計算分析。空載、滿載這兩種狀況下船體表面應力分析分別見圖7、圖8。圖中可知，最大應力發生在艉封板與主甲板的交點處，空載狀況下其最大值為2.240 5 MPa，滿載狀況下最大值為8.159 1 MPa。空載、滿載狀況下船體表面形變分別見圖9、圖10。從圖中可知，最大變形發生在船體主甲板中部，空載狀況下其最大變形為0.032 58 mm，滿載狀況下最大變形為0.173 57 mm。

圖7 空載船體表面應力分析圖

圖8 滿載船體表面應力分析圖

圖9 空載船體表面形變圖

圖10 空載船體表面形變圖

由結果可知，最大應力發生的位置是艉封板、主甲板和舷側的交點。由于設計模型時交點處沒有改成圓弧形，因此產生應力集中現象，在進一步模型優化時，要引起重視。由總變形結果得知，最大變形出現在船中部，這里也受到最大彎矩的作用。因此，為保證船體總縱強度，此處要加強結構強度，可通過增加船體骨架的方法進行改善。

3 主船體結構優化

對于本船船體的結構而言，在船中部位上甲板出現較大變形，在艉封板與主甲板、舷側外板的交點處產生應力集中。為減少最大應力以及最大變形程度，嘗試添加縱向強力構件及橫向構件來降低這兩個數值。本例采取增加橫向構件的方法來優化結構。依據變形圖以及應力圖在應力及變形程度較大的地方，即船體中部，對該位置的船體內部均勻添加5個加強筋。其材質與船體材質相同，均為3 mm厚的木板。間距為60 mm，距離船首第一個加強筋位置為180 mm，沿船底縱向添加兩道縱骨。船體內部結構對比分別見圖11和圖12。

圖11 優化前船型內部結構圖

圖12 優化后船型內部結構圖

對優化后的模型，同樣進行空載和滿載兩種工況下的總縱強度分析。經對比發現，各項數值經過優化后明顯降低(見表1)，但在滿載情況下，優化后的最大應力卻有所增加，此應力增加的位置處于艉封板與主甲板的交點處。通過對結果分析可知，在有限元軟件分析過程中，對船體模型施加單點約束可能會出現應力畸變現象，這種現象是計算有限元本身可能出現的問題，所以導致了優化后施加重物應力變大的問題。在有限元分析過程中，定義邊界條件時對面進行約束是一種避免產生應力畸變的一種有效措施。

在實際工程項目中單點的應力增加一般不會產生較大影響，對整個構件影響較大的主要是構件的形變程度。經過此次優化，本船體的最大形變程度明顯降低，說明此優化方案是可行的。

表1 船體最大應力和最大變形對比

4 結論

本文通過對大學生創新項目中學生自主設計的噴水船模進行有限元仿真計算，分析其受力情況，并對空載及滿載2種工況下噴水船主船體結構強度進行計算和分析，得到以下結論：

(1)本船為小型自主設計的船體模型。由于本船尺寸過小，所得的應力對比以及船體的總形變并不顯著，但等比放大到大型船舶中，其實際應力大小以及形變量經過優化后可能會大幅降低。本艘小型船模的受力分析以及優化過程對實際船型具有一定的參考價值。

(2)經過優化后的船體主要體現在改變了部分結構的布置。在船中位置上添加了5個加強筋及2道縱向構件。通過有限元分析可知，空載以及滿載2個工況下優化過后，應力的分布發生了明顯的變化，優化后的船體底板的變形也大大降低，大幅提高了船舶的結構強度，說明此方案具有一定的可行性。

(3)本文只對舷外水壓力、空船質量和貨物壓載進行有限元分析，其他的載荷在分析過程中尚未施加，如波浪載荷和流體載荷等因素尚未考慮。載荷因素應該更符合實際受力情況，在今后研究中會進一步考慮。

(4)結構優化中只考慮了增加橫骨架來滿足強度要求，并沒有對增加縱向骨架的情況進行計算。課題后續研究中會著重考慮縱向骨架對強度的影響和2種骨架形式的強度對比，從而尋找更優方案。