航道應(yīng)急搶通指揮艇全船有限元分析

張 云，張 燏，荀金標(biāo)

(1.江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇新時(shí)代造船有限公司，江蘇 靖江 214500；3.江蘇大洋海洋裝備有限公司，江蘇 南京 210032)

0 引言

航道應(yīng)急搶通指揮艇主要用于贛江、信江的航道堵航、礙航的應(yīng)急搶通，具有航道應(yīng)急搶通指揮功能，具備中型會(huì)務(wù)能力。該艇充分考慮了贛江、信江航道的通航環(huán)境和船舶交通流的分布特征，建立了船舶所需數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值計(jì)算，得出典型巡查船型所需尺度，并以航道條件核查分析結(jié)果、航道狀況、航行船舶特點(diǎn)為基礎(chǔ)，研發(fā)了適合不同航段的船艇尺度標(biāo)準(zhǔn)。

航道應(yīng)急搶通指揮艇采用鋼鋁混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：上層建筑采用鋁合金，主船體均采用CCSA船用鋼材。艇骨架采用縱骨架形式。由于主船體局部開口和主甲板縱桁跨距較大，為避免該艇大開口處應(yīng)力集中問題，提高大開口處船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在不過多增加自重的情況下獲得理想的結(jié)構(gòu)形式，本文利用MSC.PATRAN、MSC.NASTRAN有限元軟件建立全船結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算高速航行時(shí)波浪沖擊力引起的總縱彎矩和低速航行時(shí)排水狀況下的總縱彎矩，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，從而有效控制空船重量，降低造船成本。

1 船舶概況

航道應(yīng)急搶通指揮艇屬于主要航道綜合指揮執(zhí)法艇，航行時(shí)間不大于4 h，按第4類高速客船設(shè)計(jì)與校核。滿載出航狀態(tài)下船舶基本平浮。因該船屬于高速船，故采用鋼鋁混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以減輕船體重量滿足航速要求。為提高整船航行的穩(wěn)定性，需要盡可能減小上層建筑側(cè)投影面積、降低重心高度，因此主甲板以上采用一層半的上層建筑布置形式。由于主船體局部開口和主甲板縱桁跨距較大，為避免大開口處應(yīng)力集中，需要對(duì)大開口處結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)。船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通過有限元計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)重量進(jìn)行了集中整合和綜合性分析，以達(dá)到減輕空船重量、降低船舶建造成本、降低油耗的目的。

本船主要技術(shù)參數(shù)為：設(shè)計(jì)水線長32.0 m，型寬5.6 m，型深2.3 m，吃水1.1 m，主機(jī)功率261 kW×2，設(shè)計(jì)航速30 km/h，航區(qū)內(nèi)河B級(jí)。

2 有限元分析

2.1 有限元幾何模型

本文利用MSC.PATRAN軟件建立全船結(jié)構(gòu)模型(不含耐水膠合板)，完成對(duì)航道應(yīng)急指揮艇整船有限元模型的構(gòu)造，真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)受力和變形情況。其中：采用平面四邊形板單元(局部過渡區(qū)域采用三角形板單元)模擬船體板、強(qiáng)橫梁、甲板縱桁、中內(nèi)龍骨、旁內(nèi)龍骨、艙壁垂直桁、強(qiáng)肋骨等強(qiáng)框架的腹板；用一維梁單元描述縱骨及橫梁等構(gòu)件；通過板梁單元組合的力學(xué)模型描述整船結(jié)構(gòu)。

全船有限元幾何模型見圖1。

圖1 全船有限元幾何模型

2.2 坐標(biāo)系

該船采用右手坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于船舶中縱剖面與Fr0在基線的交點(diǎn)處，

X

軸指向船首為正方向，

Y

軸指向左舷為正方向，

Z

軸指向上為正方向。

2.3 計(jì)算工況與邊界條件

根據(jù)《內(nèi)河高速船入級(jí)與建造規(guī)范》(2016)分別校核該船高速航行時(shí)波浪沖擊狀況下的總縱彎矩和低速航行時(shí)排水狀況下的總縱彎矩。

2.3.1 高速航行時(shí)波浪沖擊力引起的總縱彎矩

(1)波浪沖擊在船重心附近區(qū)域引起的中拱彎矩

M

可按下式計(jì)算：

式中：

C

為船型系數(shù)，

C

=1.0 ；

n

為過載系數(shù)，

n

=0.73；

l

為船中前的半體重心至船中后的半體重心的縱向距離之半，

l

=0

.

25

L

(

L

為設(shè)計(jì)水線長)=8 m；

B

為船首尾出水，波峰沖擊船中區(qū)域底部時(shí)沖擊面積的寬度，

B

=5.234；

Δ

為排水量，

Δ

=77.2 t ；

d

為吃水，

d

=1.1 m；

g

為重力加速度，

g

=9.8 m/s。經(jīng)計(jì)算，中拱彎矩

M

=3 484.1 kN·m。(2)波浪沖擊在船重心附近區(qū)域引起的中垂彎矩

M

ag可按下式計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，中垂彎矩

M

=3 736.3 kN·m。

2.3.2 排水狀態(tài)航行時(shí)的總縱彎矩

船體所受的總縱彎矩通過靜水彎矩與波浪彎矩的疊加，并確定中拱彎矩和中垂彎矩。靜水彎矩以舷外水壓力的方式施加。波浪彎矩

M

計(jì)算如下：

M

(±)=±

aKK

L

B

式中：

a

為有義波高系數(shù)，

a

=0.45；

K

為系數(shù)，

K

=(249+4

.

2

L

-0

.

03

L

)×10；

K

為系數(shù)，

K

=0.71；

B

為船寬，

B

=5.6 m 。經(jīng)計(jì)算，

M

=643.6 kN·m。

2.3.3 總縱強(qiáng)度計(jì)算載荷與施加

(1)假設(shè)船體總縱彎矩

M

(

x

)沿船長按規(guī)律分布(中拱變形為“+”，中垂變形“-”)：

式中：

M

為船中最大中拱和中垂彎矩， kN·m；

x

為計(jì)算點(diǎn)距艉垂線的距離，m。本計(jì)算高速中拱彎矩取

M

=

M

，高速中垂彎矩取

M

=

M

，排水中拱彎矩取

M

=

M

(+)，排水中垂彎矩取

M

=

M

(-)。(2)

M

(

x

)可通過施加沿船長分布的垂向等效載荷

q

(

x

)來實(shí)現(xiàn)。

q

(

x

)(向上為正，向下為負(fù))按下式計(jì)算：

垂向等效載荷一般以其1/2值對(duì)稱施加在甲板邊線的所有節(jié)點(diǎn)上。當(dāng)模型中使用集中力加載方式時(shí)，每個(gè)集中力應(yīng)等于分布載荷

q

(

x

)乘以該集中力加載區(qū)間的長度。

(3)加載后模型上所有的垂向力保持平衡，垂向力的差值不大于0.000 1倍排水量。

2.3.4 總強(qiáng)度計(jì)算邊界條件

為消除剛體位移，在船體的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)施加適當(dāng)?shù)木€位移約束，見圖2。

1～4—節(jié)點(diǎn)。

(1)船底平板龍骨(縱中剖面處)在船尾(節(jié)點(diǎn)1)處沿橫向施加線位移約束，即：

δ

=0；船首(節(jié)點(diǎn)2)處，沿縱向、橫向和垂向施加線位移約束，即：

δ

=

δ

=

δ

=0。(2)艉封板水平桁材距縱中剖面距離相等的節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)4各一節(jié)點(diǎn)處，沿垂向施加線位移約束，即

δ

=0。

綜上，本文計(jì)算共分4個(gè)工況，分別如下：

LC1：高速航行中拱彎矩狀態(tài)；LC2：高速航行中垂彎矩狀態(tài)；LC3：排水航行中拱彎矩狀態(tài)； LC4：排水航行中垂彎矩狀態(tài)。

2.4 許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

主船體鋼結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度為235 MPa。根據(jù)規(guī)范要求：板的許用剪切應(yīng)力取屈服強(qiáng)度的0.38倍，即為89.30 MPa；板的許用彎曲等效應(yīng)力取屈服強(qiáng)度的0.7倍，即為164.50 MPa；梁、桿的許用正應(yīng)力取屈服強(qiáng)度的0.67倍，即為157.45 MPa。

2.5 分析結(jié)果及結(jié)論

有限元分析應(yīng)力結(jié)果匯總見表1。根據(jù)表1可見，全船結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。應(yīng)力云圖見圖3～圖6。

表1 構(gòu)件許用應(yīng)力及其計(jì)算結(jié)果 單位：MPa

圖3 全船有限元相當(dāng)應(yīng)力云圖

圖4 全船有限元剪切應(yīng)力云圖

圖5 甲板相當(dāng)應(yīng)力云圖

圖6 甲板剪切應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

(1)根據(jù)表1構(gòu)件許用應(yīng)力及其計(jì)算結(jié)果，該船在大開口處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

(2)從全船有限元相當(dāng)應(yīng)力云圖可以看出，大開口角隅處應(yīng)力集中明顯，所以加大角隅處甲板板厚，進(jìn)一步提高該處角隅強(qiáng)度，以獲得理想的結(jié)構(gòu)形式，且不影響主船體其他結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。全船采用有限元分析方法將應(yīng)力集中問題直觀體現(xiàn)出來，為解決應(yīng)力集中問題提供依據(jù)，最終獲得船舶理想的結(jié)構(gòu)形式，提高了船舶性能，滿足了用戶的使用要求。

(3)根據(jù)有限元模型對(duì)船體結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，船體的設(shè)計(jì)受力水平可能和實(shí)際受力水平之間有差距。利用反分析法分析船體結(jié)構(gòu)就是在實(shí)際受力載荷響應(yīng)前提下，探究船體材料的實(shí)際參數(shù)，求得船體材料對(duì)應(yīng)于實(shí)際承載能力的材料強(qiáng)度，并實(shí)現(xiàn)船體受力優(yōu)化及結(jié)構(gòu)輕量化，達(dá)到節(jié)省造船材料降低造船成本的目標(biāo)。該船在研究鋼鋁混合材料、綠色環(huán)保內(nèi)裝材料和輔料在船舶上的應(yīng)用，結(jié)合有限元建模分析軟件對(duì)船體結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行系統(tǒng)分析，以實(shí)現(xiàn)船舶在環(huán)保性、輕量化和艙室保溫節(jié)能性能方面的較大提高。