28m巡逻艇局部结构设计分析

王世杰

(江苏省船舶设计研究所有限公司,江苏镇江 212003)

1 28m巡逻艇概况

28 m巡逻艇是在千岛湖水域使用的公务巡逻艇,兼具游艇的功能,属于双站式驾驶,在2层前端为室内驾驶台,在游步甲板前方设有室外驾驶台,室内室外均可以驾驶本船。其外观造型介于公务艇和游艇之间;内部功能舱室错落有致,布置格局具备私家游艇的特色,功能舱室比较多,主甲板以下中部也布置了较多的生活舱室。这就要求在结构设计时,主甲板强构件尺寸既要满足强度要求,又要做到构件的总高度值尽可能的小,以满足主甲板以下生活舱室对高度的需求。本船的总体布置图见图 1。

图1 28m巡逻艇总布置图

2 主甲板强构件常规设计分析

本船的主体结构大部分是按CCS《钢质内河船舶建造规范》(2009)(简称“规范”)的要求进行设计的。但是在Fr5～Fr41之间的甲板结构是采用有限元直接计算确定的。此处的甲板结构见图 2。

图2 甲板结构图

此段强力甲板为横骨架式,按照“规范”第 1篇第 8节的规定,横骨架式强力甲板纵桁的剖面模数W应不小于按下式计算所得之值:

式中:W为剖面模数,cm3;k为系数,强力甲板取k= 0.03L+4.8=5.57,但应不小于5.7,本船取k= 5.7,其中L为结构计算船长,L=25.55 m;c为系数,对B级航区船舶强力甲板取1.2;h为甲板计算水柱高,强力甲板取0.5 m;b为甲板纵桁支承面积的平均宽度,在Fr5～Fr41之间,b=1.65 m;l为纵桁跨距,对强力甲板取横舱壁(双向横桁架)之间跨距点的距离,在Fr5～Fr19之间,l=7.0m,在Fr22～Fr41之间,l=9.5m。

计算结果如下:

按“规范”要求,强横梁取值与甲板纵桁相同。因此,在Fr5～Fr19之间的甲板纵桁和强横梁,要选用T(8×200)mm/(10×105)mm,其剖面模数W′=282.3 cm3;Fr22～Fr41之间的纵桁和强横梁,要选用腹板为T(8×280)mm/(10×105)mm,其剖面模数W′=545.01 cm3。可见按“规范”计算值来确定强构件,其总高度值较大。

本船的型深为2.8m,在Fr5～Fr41之间分别设有机舱和生活舱室。如果甲板强构件直接设置成 T (8×200)mm/(10×105)mm和T(8×280)mm/ (10×105)mm2种规格的T型材,则机舱和生活舱室的可利用高度会难以满足实际使用需求。

按“规范”要求的公式来分析,主要原因是纵桁的跨距比较大,并且机舱段和生活舱室部分不允许设置横向桁架,所以无法在结构设计方面减小纵桁的跨距。

为使纵桁构件即满足强度要求又尽可能减小其高度,本船采用了直接计算方法来确定纵桁和强横梁的尺寸,即用MSCPatran,MSCNastran程序进行有限元计算。为了计算准确,建立的模型为 Fr5～Fr41的整段立体模型。其有限元模型见图 3、图 4。

图3 整体有限元模型

图4 整体有限元模型板厚分布图

3 有限元计算过程

3.1 结构模型

本段结构为左右对称结构。模型范围:纵向从Fr5至Fr41;横向为整个船宽;垂向为整个型深。模型甲板、舷侧板、舭列板、船底板、横舱壁板、纵舱壁板、肋板以及各强构件腹板均采用二维三、四节点壳单元模拟,其他纵骨、横梁、肋骨、舱壁扶强材以及强构件面板等用二节点梁单元模拟。本模型总节点数为 8 687,单元数为 12 836。

模型材料为钢材:弹性模量2.06×105MPa,泊松比0.3,密度7.85 t/m3。

3.2 本船主甲板构件的实取尺寸

本文只对甲板构件的设计进行分析,此处只列出甲板构件的尺寸,见表 1。

表1 构件的尺寸

3.3 坐标系

本模型坐标系为:坐标系统的原点取在Fr5船体基线处。X轴指向船首为正,Y轴由原点指向左舷为正,Z轴垂直向上为正。

3.4 边界条件

模型的两端(简称A端和B端)均需约束,边界约束条件图如图 5所示。详细边界条件见表 2。

表2 边界条件

3.5 工况及载荷

根据“规范”和本船的稳性计算书,计算工况及载荷如下:

3.5.1 计算工况

根据边防巡逻艇稳性计算书,计算工况见表 3 (B级航区的半波高为0.75m)。

3.5.2 载荷

3.5.2.1 满载工况1

(1)满载出港时,甲板载荷重量 ～12 t,作用在整个计算甲板平面上,甲板面积为 162.4 m2,换算的甲板压力为724 Pa。

表3 计算工况表

(2)舷外水压力Pwater:

基线处:Pwater=ρgH=ρg(d+hhalf-wave)

式中:ρ为水密度,ρ=1.0 t/m3;d为满载吃水,d= 1.25 m;hhalf-wave为半波高,hhalf-wave=0.75 m;H为基线至水面的高度,设计吃水与半波高的和。

(3)考虑结构自重的影响。

3.5.2.2 满载工况2

(1)满载出港时,甲板载荷重量 ～12 t,作用在整个甲板平面上,换算的甲板压力为724 Pa。

(2)舷外水压力Pwater:

基线处:Pwater=ρgH=ρg(d-hhalf-wave)

(3)考虑结构自重的影响。

3.6 许用应力衡准

许用应力衡准是根据“规范”中第 14.7.6.1条选取,见表 4。σe为板单元相当应力;σz为梁构件单元节点合成应力;τ为板或梁构件剪切应力。

3.7 分析结果及结论

应力评估区域选取Fr7到Fr39。有限元分析应力结果汇总见表 5、表 6。从表 5、表 6可见,此处甲板结构有限元强度满足“规范”要求。表中 σl为板单元中面沿长方向应力。甲板纵桁合成应力、剪切应力图如图 6～9所示。

表4 应力衡准表

表5 板材许用应力及计算结果 MPa

表6 骨材许用应力及计算结果 MPa

4 结论

根据以上计算结果,可知本船按计算方法校核的甲板强构件,其剖面尺寸满足局部强度的要求。实践证明,采用直接计算法确定的甲板强构件与参照“规范”设计确定的构件相比,可以使构件的尺寸做到尽可能的小。此处只列出了甲板处强构件的尺寸和计算结果。因此,在型深不变的情况下,本船主甲板以下的生活舱室,甲板纵桁和强横梁采用∏型构件,其总高度为100mm,在保证可施工的前提下,强构件的高度做到了最小。在内底板高度为700 mm的条件下,舱室的使用高度为2.1m。

图6 甲板纵桁合成应力(LC1)

图7 甲板纵桁合成应力(LC2)

图8 甲板纵桁剪切应力(LC1)

图9 甲板纵桁剪切应力(LC2)