11.9m双体交通艇总强度有限元分析

冯 坚,谷家扬

(1.扬州市地方海事局城区地方海事处,江苏扬州 225000;2.江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江 212003)

0 引言

双体船是由连接桥及两个对称的、具有相同线型且平行布置的片体组成,两个片体通过连接桥紧紧地连接在一起。连接两片体的连接桥,还要承受波浪对它的强烈拍击,影响最大的是横向弯曲及扭转力矩[1]。

由于双体船的结构相对单体船更为复杂,结构的强度不仅有类似于单体船的总体强度,更重要的还有船体的扭转强度问题[2]。在分析双体船的总横强度及扭转强度时,一般采用有限元分析程序进行分析计算。

本文对某11.9m双体交通艇利用大型有限元分析软件MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN对其总横强度及扭转强度进行校核。本船根据《内河高速船入级与建造规范(2002)》的要求进行设计建造。目前,该规范中关于连接桥设计的内容很少,但在总强度要求中提出应校核在波浪中高速航行时的总横强度和扭转强度[3]。

1 主要量度及其他主要参数

本船选用材料为铝合金:弹性模量E=0.69× 105MPa,泊松比0.3,密度2.8t/m3;船体铝合金材料为5083—H 116,屈服强度 215MPa,焊后屈服强度160MPa;其他铝合金型材均为6061-T6,屈服强度240MPa,焊后屈服强度180MPa。

2 有限元模型

2.1 结构模型

11.9 m双体船为左右对称结构。整个模型取最上层主甲板以下全船结构。模型范围:整个船长;横向为整个船宽;垂向为从基线至最上层主甲板。模型片体/连接桥甲板、舷侧板、片体/连接桥底板、横舱壁/横隔板、纵桁、强横梁以及各强构件腹板等均采用二维 3、4节点壳单元模拟,其他纵骨、加强筋以及强构件面板等用 2节点梁单元模拟。本模型总节点数为 17 821,单元数为 23 642。模型如图 1～图 2所示。

2.2 边界条件及载荷施加

参照《钢质内河船舶建造规范(2009)》(简称“规范”)第 14.6.4条中双体船的边界条件对11.9m交通艇进行总横强度计算和扭转强度计算,边界条件及载荷施加如下:

图1 整体有限元模型(俯视图)

图2 整体有限元模型(仰视图)

(1)进行总横强度计算时,可将其中一个片体的底部施加约束。采取在舭部节点上施加线位移约束:ux=uy=uz=0,在船底强构件交叉节点上施加线位移约束ux=uz=0。在另一个片体上施加连接桥垂向剪力,垂向剪力应平均施加在片体中纵剖面船底强构件的交叉节点上。ux、uy、uz分别指舭部节点沿着x、y、z方向的线位移被约束。总横强度计算时的施加边界条件如图 3所示。

图3 总横强度的边界条件和载荷模型

(2)进行扭转强度计算时,在连接桥中心点上施加全位移约束:u′x=u′y=u′z=0,θx=θy=θz=0。u′x、u′y、u′z分别指连接桥中心点沿着x、y、z方向的线位移被约束。θx、θy、θz分别指连接桥中心点绕 x轴、y轴、z轴的转角被约束。扭转载荷施加在双体船的两个片体上。在片体形心处建立独立点,将独立点所在的纵向平面内的各节点与独立点进行刚性关联,然后再在刚性点处施加扭矩。扭转强度计算时的施加边界条件和载荷后的模型如图 4所示。

图4 扭转强度的边界条件和载荷

3 工况及载荷计算

3.1 工况

根据《内河高速船入级与建造规范》,本船计算工况分为:LC1,总横强度计算;LC2,扭转强度计算。

3.2 载荷计算

3.2.1 总横弯矩Mt

按《内河高速船入级与建造规范》第 2.9.6.1条,双体船的总横弯矩可按下式计算所得之值:

式中:Mt为总横弯矩,kN◦m;C1为航区系数,查表1得C1=0.106;b为片体中心间距,b=3.5m;Δ为排水量,Δ=5.17t;acg为重心垂向加速度,按《内河高速船入级与建造规范》第2.5.1.2条进行计算:

其中:L为水线长,L=11m;Bwl为L/2处水线宽,对双体船,应为L/2处片体宽度之和,Bwl=1.8m;g为重力加速度,g=9.81m/s2;VH为船舶在有义波高H的波浪中航行的航速,VH=10.26kn;Hi为有义波高,Hi=0.75m;β为船体重心处横剖面的底斜升角, β=18°;KT为船舶类型系数,根据船舶类型确定,对于排水型单、双体高速船、全垫升气垫船和水面效应船,KT=0.8。

表1 航区系数

设计部门应根据船舶营运航区,提出一组船舶可能遭遇有义波高Hi与该波高对应的一组航速,且有义波高应受如下限制:A级航区:Hi≤2.0m,B级航区:Hi≤1.2m。

把上述数据代入后,acg=6.47m/s2;

3.2.2 垂向剪力Qt

按《内河高速船入级与建造规范》第 2.9.6.2条,双体船在连接桥中纵剖面处的垂向剪力可按下式计算所得之值:

式中:Qt为垂向剪力,kN;C2为航区系数,查表1得C2=0.142。

3.2.3 横向扭矩Mp

按《内河高速船入级与建造规范》第 2.9.6.3条,两片体因不同步纵摇引起的对横向 X轴的扭矩可按下式计算所得之值:

施加载荷后模型图如图 3～图 4所示。

4 分析结果汇总

有限元分析应力结果汇总见表 2。表中:σe为板单元表面等效应力;σl为板单元中面沿纵向应力,+σl为表示拉应力,-σl为表示压应力;σz为梁单元节点合成应力,+σz为表示组合拉应力, -σz为表示组合压应力;τ为板单元剪应力。

表2 应力结果汇总表

双体交通艇船体构件应力云图、整体变形图如图 5～图 8所示。

5 结论

(1)从表 2得知,11.9m双体交通艇结构强度满足规范要求的总横强度和抗扭强度要求。

(2)在总横强度工况中,连接桥和横舱壁是主要受力构件,连接桥和片体接口部位的受力较其他部位大,对该部位的结构设计和施工工艺应当予以重视。

图5 船体整体等效应力σe云图(LC1)

图6 船体整体等效应力σe云图(LC2)

图7 船体整体变形云图(LC 1)

图8 船体整体变形云图(LC2)

(3)双体交通艇的全船有限元应力、应变分析表明,连接桥中远离受力端的强横梁、大肘板受到较大的应力,因此有必要适当加大该位置的构件尺寸,在发生扭转变形的时候,连接桥艏部和艉部的应力、应变都较大;相反,在靠近船中位置的扭转应力和应变很小,因此在设计中可适当地考虑协调船中部位与艏艉处的连接桥的结构尺寸。

[1] 李永正,尹群,刘琰.双体船连接桥强度有限元分析[J].造船技术,2004,(6):18-21.

[2] 陈超核,杨永谦.有限元分析双体船扭转强度[J].海南大学学报自然科学版,2000,(6):126-130.

[3] 郑杰,谢伟,骆伟,胡要武,杨龙.穿浪双体船横向强度与扭转强度的有限元计算[J].中国舰船研究,2010,(2):14-18.

[4] 中国船级社.内河高速船入级与建造规范[M].北京:人民交通出版社,2002.

[5] 中国船级社.钢质内河船舶建造规范[M].北京:人民交通出版社,2009.