航道應急搶通指揮艇全船有限元分析

張 云，張 燏，荀金標

(1.江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003；2.江蘇新時代造船有限公司，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

航道應急搶通指揮艇主要用于贛江、信江的航道堵航、礙航的應急搶通，具有航道應急搶通指揮功能，具備中型會務能力。該艇充分考慮了贛江、信江航道的通航環境和船舶交通流的分布特征，建立了船舶所需數學模型，通過數值計算，得出典型巡查船型所需尺度，并以航道條件核查分析結果、航道狀況、航行船舶特點為基礎，研發了適合不同航段的船艇尺度標準。

航道應急搶通指揮艇采用鋼鋁混合結構設計：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力集中問題，提高大開口處船舶結構強度，在不過多增加自重的情況下獲得理想的結構形式，本文利用MSC.PATRAN、MSC.NASTRAN有限元軟件建立全船結構模型，計算高速航行時波浪沖擊力引起的總縱彎矩和低速航行時排水狀況下的總縱彎矩，并對計算結果進行分析，從而有效控制空船重量，降低造船成本。

1 船舶概況

航道應急搶通指揮艇屬于主要航道綜合指揮執法艇，航行時間不大于4 h，按第4類高速客船設計與校核。滿載出航狀態下船舶基本平浮。因該船屬于高速船，故采用鋼鋁混合結構設計，以減輕船體重量滿足航速要求。為提高整船航行的穩定性，需要盡可能減小上層建筑側投影面積、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，為避免大開口處應力集中，需要對大開口處結構進行局部加強。船舶結構設計時，通過有限元計算對結構重量進行了集中整合和綜合性分析，以達到減輕空船重量、降低船舶建造成本、降低油耗的目的。

本船主要技術參數為：設計水線長32.0 m，型寬5.6 m，型深2.3 m，吃水1.1 m，主機功率261 kW×2，設計航速30 km/h，航區內河B級。

2 有限元分析

2.1 有限元幾何模型

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

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 坐標系

該船采用右手坐標系，原點位于船舶中縱剖面與Fr0在基線的交點處，

X

軸指向船首為正方向，

Y

軸指向左舷為正方向，

Z

軸指向上為正方向。

2.3 計算工況與邊界條件

根據《內河高速船入級與建造規范》(2016)分別校核該船高速航行時波浪沖擊狀況下的總縱彎矩和低速航行時排水狀況下的總縱彎矩。

2.3.1 高速航行時波浪沖擊力引起的總縱彎矩

(1)波浪沖擊在船重心附近區域引起的中拱彎矩

M

可按下式計算：

式中：

C

為船型系數，

C

=1.0 ；

n

為過載系數，

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

為設計水線長)=8 m；

B

為船首尾出水，波峰沖擊船中區域底部時沖擊面積的寬度，

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。經計算，中拱彎矩

M

=3 484.1 kN·m。(2)波浪沖擊在船重心附近區域引起的中垂彎矩

M

ag可按下式計算：

經計算，中垂彎矩

M

=3 736.3 kN·m。

2.3.2 排水狀態航行時的總縱彎矩

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

計算如下：

M

(±)=±

aKK

L

B

式中：

a

為有義波高系數，

a

=0.45；

K

為系數，

K

=(249+4

.

2

L

-0

.

03

L

)×10；

K

為系數，

K

=0.71；

B

為船寬，

B

=5.6 m 。經計算，

M

=643.6 kN·m。

2.3.3 總縱強度計算載荷與施加

(1)假設船體總縱彎矩

M

(

x

)沿船長按規律分布(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

為計算點距艉垂線的距離，m。本計算高速中拱彎矩取

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

)來實現。

q

(

x

)(向上為正，向下為負)按下式計算：

垂向等效載荷一般以其1/2值對稱施加在甲板邊線的所有節點上。當模型中使用集中力加載方式時，每個集中力應等于分布載荷

q

(

x

)乘以該集中力加載區間的長度。

(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 總強度計算邊界條件

為消除剛體位移，在船體的相應節點應施加適當的線位移約束，見圖2。

1～4—節點。

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

δ

=0；船首(節點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點3、節點4各一節點處，沿垂向施加線位移約束，即

δ

=0。

綜上，本文計算共分4個工況，分別如下：

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

2.4 許用應力衡準

主船體鋼結構屈服強度為235 MPa。根據規范要求：板的許用剪切應力取屈服強度的0.38倍，即為89.30 MPa；板的許用彎曲等效應力取屈服強度的0.7倍，即為164.50 MPa；梁、桿的許用正應力取屈服強度的0.67倍，即為157.45 MPa。

2.5 分析結果及結論

有限元分析應力結果匯總見表1。根據表1可見，全船結構有限元強度滿足規范要求。應力云圖見圖3～圖6。

表1 構件許用應力及其計算結果 單位：MPa

圖3 全船有限元相當應力云圖

圖4 全船有限元剪切應力云圖

圖5 甲板相當應力云圖

圖6 甲板剪切應力云圖

3 結論

(1)根據表1構件許用應力及其計算結果，該船在大開口處結構強度滿足規范要求。

(2)從全船有限元相當應力云圖可以看出，大開口角隅處應力集中明顯，所以加大角隅處甲板板厚，進一步提高該處角隅強度，以獲得理想的結構形式，且不影響主船體其他結構強度。全船采用有限元分析方法將應力集中問題直觀體現出來，為解決應力集中問題提供依據，最終獲得船舶理想的結構形式，提高了船舶性能，滿足了用戶的使用要求。

(3)根據有限元模型對船體結構受力進行系統分析發現，船體的設計受力水平可能和實際受力水平之間有差距。利用反分析法分析船體結構就是在實際受力載荷響應前提下，探究船體材料的實際參數，求得船體材料對應于實際承載能力的材料強度，并實現船體受力優化及結構輕量化，達到節省造船材料降低造船成本的目標。該船在研究鋼鋁混合材料、綠色環保內裝材料和輔料在船舶上的應用，結合有限元建模分析軟件對船體結構受力進行系統分析，以實現船舶在環保性、輕量化和艙室保溫節能性能方面的較大提高。