某398 客位沿海客船減搖鰭艙段及基座加強結構強度分析

陳正豪，吳 猛，錢 雯

（廣州船舶及海洋工程設計研究院，廣州 510250）

1 前言

船舶在海上航行時，由于受到風浪等因素的影響，會產生一系列不規則的搖晃現象，降低了船舶的適航性和船體結構的安全性。船舶搖晃運動中，以橫搖的影響最大，為了減小船舶在航行中橫傾的幅度，可以安裝減搖裝置為船舶提供減搖阻尼。目前，減搖裝置主要有：減搖水艙、舭龍骨、減搖鰭、舵減搖等，其中以減搖鰭的減搖效果最好，因而被廣泛應用。

減搖鰭大致可分為固定式及可收放式兩類，一般安裝在船體兩側的舭部各一套，鰭翼剖面通常為機翼形。船舶在水中航行時，由液壓系統操縱和轉動其攻角，使鰭翼上產生升力提供給船舶恢復力矩以減輕船舶的橫搖。航速越高，減搖效果越好，常用于高速船尤其是客船，以提高旅客在航行中的舒適度。

本文以某398 客位沿海客船為例，介紹其減搖鰭艙段及基座加強的結構強度計算。重點闡述了減搖鰭受流體載荷傳遞到基座進而影響船體結構強度的分析過程，對艙段結構尤其是基座加強區域結構的合理性進行評估和優化。

2 減搖鰭艙段布置及基座加強結構

本船采用兩套固定式減搖鰭，安裝在船體中部雙層底區域兩舷的舭部。減搖鰭的執行機構通過螺栓與基座連接，基座與主船體結構之間采用加強肘板連接，加強肘板采用T型結構，呈“井”字形布置在縱向、橫向，共設置12 個（一舷），并與減搖鰭基座的四個封板及內肘板在同一平面內對齊連接。減搖鰭具體布置形式及加強結構安裝，見圖1、圖2。

圖1 減搖鰭艙段結構布置圖

圖2 減搖鰭基座安裝圖

3 結構強度計算與分析

由于船舶在航行中減搖鰭所受載荷較為復雜，且載荷可通過鰭軸與基座傳遞到主船體，對船體結構產生較大影響，故應對基座區域的主船體結構以及整個艙段進行強度計算和評估。

結構強度計算采用有限元分析軟件Ansys 進行計算，并根據中國船級社CCS《鋼質海船入級規范》（2018）（簡稱《規范》）的相關要求，校核計算結果及優化結構設計。

3.1 有限元計算模型

有限元模型應包括整個減搖鰭艙段。為了準確加載并有效模擬載荷對基座區域的結構影響，同時建立減搖鰭基座和部分鰭軸結構，有限元模型的范圍：縱向沿船體縱向從#35～#45，橫向包括整個左舷和右舷；垂向包括主甲板及以下全部區域結構。

模型中：船殼外板、各縱橫艙壁及主要強構件的腹板等，采用二維板單元進行計算；各類次要構件，如甲板縱骨、船體肋骨及主要構件的面板等，采用梁單元。

模型中網格尺寸大小約三分之一肋距，整個模型共約12 787個節點、13 255個單元。有限元模型，見圖3、圖4。

坐標系原點選取在#0 處，x 坐標沿船長方向由船尾指向船首，y 坐標沿船寬方向由右舷指向左舷，z 坐標沿垂向指向上。

本船船體結構材料為普通船體結構鋼，減搖鰭基座及鰭軸材料為Q345C,材料參數見表1。

表1 有限元模型材料參數表

圖3 減搖鰭艙段有限元模型

圖4 基座加強區域有限元模型

3.2 邊界條件

邊界約束位置應盡量遠離基座結構受力評估區域，對有限元模型中#35 號和#45 號艙壁處全橫斷面施加剛性固定，即U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0。

3.3 計算載荷及工況組合

根據減搖鰭在航行過程的運行方式和船舶受力的實際情況，艙段及基座加強結構強度計算主要考慮下列載荷：

（1）減搖鰭設備載荷

在船舶航行過程中，流體對減搖鰭的載荷主要由鰭翼承受，鰭翼受到的載荷有升力、阻力和扭矩。

由設備廠商提供的減搖鰭流體動力特性試驗可以得出：當船舶以最大速度17.5 kn 航行、鰭攻角在±32°時，鰭產生的最大升力L 為65 500 N，阻力G為-17 100 N，扭矩M 為9 000 N*m，力的作用點位于減搖鰭鰭軸線距外板0.568 m 的位置。

（2）橫搖加速度

根據《規范》橫搖角加速度按下式計算：

式中：TR——橫搖周期， s；φm——最大橫搖角， rad；

計算得出橫搖角加速度ar=0.425 rad/s2，施加于減搖鰭上。

（3）舷外靜水壓力

根據《規范》舷外靜水壓力phs按下式計算：

式中：

ρw——海水密度，取 1.025 t/m3；d1——計算工況下的吃水，m；

z ——計算點至基線的垂向距離，m。

當載荷計算點位于水線面以下時，phs= 0 kN/m2，

（4）甲板載荷

根據《規范》， 甲板的計算壓頭 h 應符合表 2.8.1.1的規定，其對應的設計載荷 p 按下式計算：

式中：h—計算壓頭，m；

γ—裝載率，m3/t；

本船甲板壓頭取h = 1.25 m，得到甲板載荷為：p =9.81h/γ= 8.822E-03 MPa。

（5）重力載荷

結構的自重通過重力加速度施加于整個模型，即g = 9.81 m/s2。

有限元模型加載（LC1）見圖5。

圖5 有限元模型加載(LC1)

（6）工況組合

根據船在風浪中橫揺時減搖鰭的運行情況，有左、右搖晃時兩種工況：

工況一（LC1）：為左鰭迎水流方向，有效攻角為 +32°，右鰭為-32°；

工況二（LC2）：為左鰭迎水流方向，有效攻角為-32°，右鰭為+32°。

由于本計算中結構模型左右對稱，故只需計算其中一種工況即可。

3.4 校核衡準及計算結果

（1）校核衡準

校核衡準參考《規范》3.7.3 對結構許用應力的規定，見表2：

表2 計算載荷及設計工況組合表

（2）計算結果匯總

對計算結果中的最大應力區域進行評估和結果匯總，經計算分析結果滿足《規范》要求。具體的計算結果匯總，見表3、圖6～圖9。

表3 應力計算結果匯總（單位：MPa）

圖6 減搖鰭艙段結構相當應力

圖7 基座加強區域結構相當應力

圖 8 減搖鰭艙段梁單元相當應力

圖9 基座加強區域梁單元相當應力

4 結束語

本文通過有限元方法，對某398 客位沿海客船減搖鰭艙段及基座加強結構進行強度分析，在鰭受最大載荷的工況下計算其對結構影響。計算結果表明，本船減搖鰭基座加強結構設計布置合理，強度滿足《規范》要求。其中，應力最大值出現在減搖鰭基座加強結構處，必要時可采用加大構件尺寸以及采用高強度鋼等方式滿足強度要求。

本文僅從靜力學的角度對結構強度進行分析，并未考慮水動力學相關因素，因此對于同類問題必要時也可考慮水動力學的影響，使計算更加全面可靠。