基于Patran的高速小水线面双体船有限元结构强度分析

胡 犇,许 晟,梅国辉,侯国祥

(1.华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北 武汉 430074;2.中国舰船研究设计中心,湖北 武汉 430064)

0 引 言

小水线面双体船(SWATH)是20世纪70年代发展起来的一种新概念高性能舰船。SWATH船型的大部分排水体积深入水下,大部分有效容积升离水面,二者中间用水线面较小的支柱相连,使它像潜艇、水翼艇一样具有兴波小和受波浪干扰小的特点;又因其船体分成左右2部分,它还具有双体船甲板面积大和复原力臂大的特点。这些特点的综合效果就表现在该型船舶具有优良的耐波性、显著的快速性、宽敞的甲板面积、较强的生命力和良好的操纵性。小水线面双体船与常规单体船相比具有优越的耐波性能(在风浪中运动量最小,失速不严重)和宽广的甲板面积,引起了造船界和船东的极大兴趣。美国、日本等国更掀起了建造小水线面双体船的热潮。从20世纪70年代开始共建造了50多艘用于海洋考察、水声监听、车客摆渡以及旅游观光的小水线面双体船。我国从1994年开展小水线面双体船的实用设计研究,2001年建成了第1艘200 t级的海关监管艇,随后又陆续设计并正在建造最高吨位达到2500 t可在全球航行的小水线面双体船,开创了中国造船界一个崭新的领域[2]。

海关监管艇的船体主要尺度为:总长36.0 m,型宽14.6 m,型深7.0 m,片体间距12.1 m,支柱最大厚度1.2 m,下潜体最大直径2.4 m,设计排水量190 t。兼顾船体结构强度、抗低温和减轻重量等方面的因素,本船采取横骨架式和纵骨架式相结合的船体结构,其中连接桥和封闭箱式采取横骨架式;其他结构包括潜体、支柱体等都是采用纵骨架式,因为资料表明,纵骨架式的船体结构要比横骨架式减轻3%。本船采用全铝合金结构,这样从结构和材料上均从船体减重方面进行了优化选择,保证了快速性要求。

1 全船有限元模型的建立

通过通用有限元软件MSC.Patran建立全船模型。有限元模型采用右手坐标系,即原点设于船尾处,x轴为沿纵向船首方向为正,y轴沿水平方向向左舷为正,z轴为垂向由原点向上为正。

根据结构的实际受力状态将全船各类结构按结构式样离散为下列几种类型:板壳元(4节点或3节点)模拟甲板、舷侧外板及支柱体、下潜体、连接桥、甲板纵桁、纵舱壁及横舱壁、肋板、强框架、甲板室等;梁元(2节点)模拟板材上的纵横骨材等,对主船体上的弱横梁构件等效为梁单元设于板单元的网格边界;杆元(2节点)模拟纵桁、肋板、主船体强横梁等强构件的上翼板,支柱等;质量点单元,调节重量分布。单元网格尺寸控制纵向以肋骨间距为单元的1个网格尺寸,横向以纵骨间距为单元的1个网格尺寸,垂向以舷侧纵骨垂向间距为单元的1个网格尺寸。根据船级社规范,船体结构有限元分析网格尺寸最大一般取为肋骨间距500 mm。全船有限元模型节点数为32118,单元数为72094。整船有限元模型见图1。

边界条件和约束:尾部尾尖舱横舱壁底部取横向对称的2节点,约束y向和z向的线位移;首部首尖舱横舱壁底部取纵轴上的1节点,约束x向、y向和z向的线位移。

为了保持船舶的高速性,控制船身重量,同时保证船舶的结构强度,对主船体部分采取以下局部加厚措施:

图1 整船有限元模型Fig.1 Finite element model for the whole ship

1)横舱壁板局部加厚。各横舱壁沿内舷圆弧过渡处由6 mm加厚至10 mm;各横舱壁支柱部位由6 mm加厚至10 mm;在24、35和43站位处的横舱壁与甲板纵桁相交处部位加厚至10 mm(见图2)。

图2 横舱壁局部加厚Fig.2 Partly thickness increasement on cross bulkhead

图3 主船体外板厚度Fig.3 Side plate thickness of main hull

2 外载荷计算和工况

从结构强度设计来看,小水线面双体船的船体结构型式和受力状态均与单体船和常规双体船相比都要复杂。连接2个狭长片体的连接桥以及单薄的支柱体是船体结构的薄弱环节。同时,该型船的浮力提供仅靠其水下部分的2个鱼雷状潜体和部分支柱体,且支柱体的水线面积很小,所以该型船对船舶重量以及设计和建造过程中的重量重心都有严格的控制。由于小水线面双体船的船长型深比很小,所以其船体结构具有较足够的纵向强度和刚度,因而它的纵向承载能力是比较富裕的,对于船长小于50 m的小水线面双体船通常不必进行总纵强度校核,大于50 m时则需对纵向强度进行校核。但是小水线面双体船有较大的侧面积和较大的型深,在横波情况下,有可能受到较大的横向波浪诱导载荷——总横弯矩,以及由于侧向力沿x轴向分布不均造成的水平扭矩。在对全船的横向结构强度进行计算时,采用3种侧向力分布形式(均匀分布、梯形分布及正弦分布),其应力计算结果证明应力值相差不会超过10%[1]。所以对本船的计算中,总横弯矩的侧向力呈均匀分布,分为向内和向外2种工况(见图4);水平扭矩的侧向力分布采取梯形分布和三角形分布(见图5)。

1)总横弯矩

根据船模在水池的实验结果,侧向力的合力作用位置大约在整船吃水的1/2处,所以对吃水以上任意位置由侧向力FS产生的总横弯矩可表示为:

式中:dZ为从基线至计算点的垂向距离,m;qS为作用在支柱体均布载荷,kN/m。

2)水平扭矩

由于侧向力沿船长x轴方向分布不均,造成了对船体在水线面内的水平扭转力矩Mxy,这是由于小水线面双体船自身双潜体的结构特性所形成的特殊载荷,是一般舰船所不具有的,其量值计算方法可按ABS《小水线面双体船建造与入级指南》(1999)(以下简称ABS(1999))版本:

式中:FS为侧向力,kN;ls为水线处支柱体长度,m;Kt为扭臂系数,见ABS(1999)图B.3。

以上各式中,侧向力FS的确定可采用理论计算和试验研究的方法。理论计算多以切片理论为基础,配合船体运动性能的计算,得到横向波浪载荷的计算程序;也可应用系列化改变小水线面双体船的主要尺度的法,通过理论计算求得横向波浪载荷的近似计算公式。如上提出,横向弯矩可用1个作用于船中吃水一半处的等效侧向力来表示,而侧向力设计值F与排水量 Δ之比具有下述简单的函数关系[4]:

式中:L,B,T分别为船长、型宽和吃水;D为排水量的函数;K为常数。

参照《ABS(1999)》,水线面双体船侧向力设计值FS可按下式计算:

当小水线面双体船处于斜浪状态时,它的受载情况很复杂,不仅要受到由于横向波浪力和水平扭矩作用,而且由于2个片体摇摆运动的不同步,还会受到纵摇扭矩和横摇扭矩。在《ABS(1999)》中只考虑横向波浪力和水平扭矩,而在CCS《小水线面双体船指南(2005)》(以下简称CCS(2005))中则考虑横摇和纵摇扭矩,那么把ABS和CCS二者结合起来,同时考虑上述横向波浪力和3个扭矩的联合作用。与此同时 ,还对在 《ABS(1999)》和 《CCS(2005)》下计算出的不同载荷值进行比较,如表1所示。

?

从表1中可以看出,《ABS(1999)》的载荷计算值要小于 《CCS(2005)》给出的。综上所述,为了保障该船的结构强度,本文采取更严格的 《ABS(1999)》给出的载荷计算公式和《CCS(2005)》给出的校核工况。鉴于横向波浪力起主导作用,为了减少计算工作量,本船在扭转强度校核时选取45°/135°航向角进行扭转强度校核,此时水平扭矩为最大值的0.8,总纵弯矩为最大值的0.6[2],这种取法不会对扭转强度构成低估,符合规范要求。

3 应力结果表示与结果分析

本报告分析的主要目的是对整船进行全船总强度和局部强度分析和校核。应力结果即可显示单元的XY方向的正应力和切应力,也可显示等效应力(Von-mises)σ[6],

通过Patran软件对全船的有限元计算,得出包括总纵弯矩、总横弯矩、水平扭矩以及组合工况几张应力云图,对图中几处应力较大的结构分析结果得出:

1)细长的支柱体结构。该船型的支柱体横剖面形状变化较大的区域,也是船舶受力最大的构件。支柱体首尾狭窄,工艺要求高,而且尾部还要承受螺旋桨和舵叶的较大推力;同时,支柱体的工作环境更为复杂,水和空气2种介质频繁交替以及低温、薄冰等外界因素的影响,支柱体壳板需要加厚板厚,是结构需要加强的部件。

2)连接桥的圆弧处结构。从计算结果来看,该船的总纵强度相对比较富裕。而船舶处于横浪航行状态时所受到的侧向力诱导的总横弯矩,以及斜浪状态时由于侧向力沿轴向分布不均造成的水平扭矩对船体结构影响很大,连接桥则是承受这些载荷的主要构件,所以需要关注其结构强度。

3)横舱壁与主甲板纵桁相交处结构。在主甲板下面距船中6050 mm左右两边对称有2根总桁,主要承担船体的纵向载荷;而与主甲板相连的7个横舱壁则主要承担横向载荷。主甲板下主要由这两类构件保证其强度,当计算到总纵弯矩和水平扭矩的组合工况时,两类构件相交处就会出现相当大的应力,需要进行局部结构加强。

图6 总横弯矩,主船体应力分布云图Fig.6 Total cross bending moment stress contours of main hull

4)甲板舱室外围壁。造成外围壁应力集中的有2种:一是出现在甲板室外围壁的根部,靠近与主甲板焊接的地方。这是由于主船体的应力通过外围壁和主甲板之间的刚性连接传递形成的;二是出现在外围壁的开窗角处造成的应力集中。

4 本文创新点

1)加载方案。通过对ABS《小水线面双体船建造与入级指南(1999)》和CCS《小水线面双体船指南(2005)》的比较,给出了一套完整而严格的载荷计算和校核工况的加载方案,最终采取的《ABS(1999)》给出的载荷计算公式和《CCS(2005)》给出的校核工况,最大程度地满足规范要求。

2)船身结构减重建议。通过应力云图分析出该类特殊船型应力分布状况,有针对性的通过局部结构加强的措施达到了许用应力要求范围,但也多处增加板厚,加大了船身重量。甲板室板单元的最大应力点集中出现在外围壁或者舱室壁,这是由于主船体的应力通过甲板室外围壁和主甲板之间的刚性连接传递上来而造成,针对此进行了多处加厚舱室板厚(见3.1节修改方案第四点)。若将外围壁与主甲板的刚性连接打断,二者之间以硬质橡胶连接,再将外围壁以铆钉固定于橡胶之上,这样就可以减小甲板室板材增厚所增加的重量。

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