不同材料上层建筑的超级游艇在波浪中结构强度分析*

张水林　裴志勇　蔡　薇　吴卫国

(武汉理工大学交通学院　武汉　430063)



不同材料上层建筑的超级游艇在波浪中结构强度分析*

张水林裴志勇蔡薇吴卫国

(武汉理工大学交通学院武汉430063)

摘要：采用基于势流理论的三维特异点分布法计算指定海况下超级游艇的运动和作用于船体表面的水压力，将得到的外载荷等效转换到结构模型上，采用有限元程序分析超级游艇的上层建筑分别采用铝合金和普通钢时波浪中的响应特性.计算结果表明,超级游艇的上层建筑对主船体的剖面应力分布有较大的影响，并且不同材料上层建筑影响的程度不同；设置多层甲板会改变剖面应力分布；不同材料上层建筑的超级游艇在相同的外载荷作用下引起的船体结构应力和变形不同.

关键词：超级游艇；上层建筑；结构强度；剖面应力分布

张水林(1990- )：男，硕士生，主要研究领域为船体结构强度

*工信部高技术船舶科研项目资助(批准号：工信部联装[2010]337号)

0引言

超级游艇十分重视安全性和舒适性，而在波浪中的结构响应是决定超级游艇的安全性和舒适性的一个重要因素.目前，针对游艇在外载荷作用下的结构响应，国内外已开展诸多研究[1-4].游艇结构响应的研究主要是针对小型游艇，较少涉及超级游艇.此外，当前的研究主要是基于船级社的规范和相关组织的规定，未充分考虑具体船型特点.由于超级游艇尺度较大，作用于船体的波浪载荷十分依赖于船体外形.因此，为将超级游艇船型特点考虑在内，以全面真实地模拟超级游艇在其工作环境中的结构强度，亟须对超级游艇在波浪中的结构强度展开深入研究.

为降低船体结构质量，超级游艇广泛采用铝合金，并且采用铝合金制造的船舶的营运费用和维护费用相比同类型钢质船舶低[5].超级游艇的上层建筑采用铝合金，一方面可以降低船舶质量，提高超级游艇的快速性；另一方面也可以降低其重心高度，提高船舶稳性.主船体为普通钢的超级游艇，由于2种材料物理性质的差异，导致其在波浪的结构强度不同于全钢船舶.因此，需要对其在波浪中的结构强度展开研究，并与相同尺度的全钢超级游艇的结构强度进行比较，以探究上层建筑采用铝合金对船体结构在波浪中结构强度的影响.

本文将载荷/运动计算和结构响应分析结合起来，采用基于势流理论的三维特异分布点法[6-7]计算指定海况条件下作用于超级游艇的载荷和相应的船体运动，将得到的外载荷施加到整船结构模型上，采用结构有限元程序分析相应的结构响应.在此基础上，研究上层建筑分别采用不同材料的超级游艇在波浪中结构强度的差异，主要比较了在相同外载荷作用下超级游艇典型剖面应力分布、结构的应力和变形水平等方面的异同，并分析了产生这些差异的原因.

1分析流程

为了比较不同材料上层建筑的超级游艇在波浪中的结构强度，整个分析流程由以下6个步骤组成.

1) 建立用于结构分析的全船有限元模型.

2) 模拟指定装载状况下的质量分布，包括船体钢料质量、舾装质量、压载水质量等.

3) 在指定海况和载况下进行载荷/运动计算，得到作用于船体的随时间而变的外压力和船体的运动加速度.

4) 将载荷/运动计算得到的作用于船体表面的外压力以及由于船体运动产生的惯性力转化为等效节点力.

5) 将等效节点力施加到结构计算模型上，进行结构计算分析.

6) 改变上层建筑材料，采用4)得到的等效外载荷进行结构分析.

为了比较相同结构形式下，超级游艇的上层建筑分别采用钢和铝时结构强度的异同，假定2种情况下作用于船体的外载荷相同.当然，实际由于材料的不同会引起作用于船体的载荷有所不同，文中暂未考虑.

2计算实例

2.1模型概况

本文研究的对象是一艘总长为64.6 m的超级游艇，其主尺度要素见表1.该超级游艇的上层建筑采用铝合金，主船体结构采用普通钢.

表1　超级游艇的主尺度　m

载荷/运动计算和结构响应分析阶段使用相同的模型有利于避免因计算模型的差异而引起的不平衡载荷而影响结构分析的准确性.整船弹性有限元分析模型及边界条件见图1.计算模型中船体外板、甲板和舱壁板等板件采用板壳单元模拟，纵桁、肋骨等骨材采用弹性梁单元模拟，整个模型共有21 189个节点，22 761个板壳单元，23 044个弹性梁单元.

图1　全船有限元计算模型和边界条件

2.2载荷/运动计算

超级游艇的船体通常为细长体结构，在迎浪时船体所受的垂向弯矩是最基本的载荷.因此选取迎浪状态对船体结构强度进行分析.波浪取规则正弦波，波长取艇长，波高的选取主要是考虑游艇在营运过程中常见的波浪大小结合结构强度分析需要而设置.满载状况下波浪参数见表2.

表2　满载状况下波浪参数

由于波浪和船体的运动，不同时刻作用于船体的压力分布是随时间变化的.本文选取大于一个波浪周期的时间段，并将其均分为20个时刻，将每一时刻作用于船体的外力积分即可得到各个时刻作用于船体的垂向弯矩，不同时刻作用于船体的垂向弯矩沿船长的分布见图2.在t1时刻，波峰位于船中，作用于船体的弯矩为中拱弯矩.随着波浪和船体的运动，波峰逐渐向船首移动，作用于船体的弯矩从中拱逐渐变为中垂.在t6时刻至t7时刻之间波谷移至船中，此时作用于船体的中垂弯矩达到最大值.然后波峰向船中移动，作用于船体的弯矩逐渐从中垂变为中拱，在t16时刻波峰移动至船中，作用于船体的中拱弯矩达到最大.

图2　各时刻垂向弯矩分布

2.3结构响应计算结果

将各个不同时刻作用于船体表面的外压力和惯性力等效转换到结构模型上，采用通用商业有限元程序进行线性结构强度分析.先对上层建筑为铝合金的钢铝混合模型进行结构强度分析，然后分析上层建筑采用普通钢的全钢模型在相同外载荷作用下的结构强度，分别得到典型剖面应力分布、结构的应力和变形的计算结果.

2.3.1典型剖面应力分布

为了提供更宽敞的内部空间，以满足布置、居住、饮食和娱乐等要求，超级游艇往往会设置多层甲板.由于设置了多层甲板，各层甲板的局部作用会对剖面的应力分布特性产生影响.为了研究典型剖面应力分布特性，选取作用于船体的中拱弯矩最大的时刻(t16时刻)作为典型时刻，取靠近船中的某一剖面.该剖面在t16时刻的舷外水压力分布见图3，图中箭头方向表示压力的方向，与船体外表面垂直；箭头长短表示作用于艇体表面的压力幅值. 舷外水压力作用于下甲板以下的船体外壳，随着型深高度的增加逐渐减小.

图3　t16时刻横剖面外压力分布

采用有限元分析得到该剖面上各点的纵向应力，以各点的纵向应力值为横坐标，各点的垂向位置为纵坐标，分别绘出钢铝混合模型和全钢模型中该剖面上各点在有无上层建筑的纵向应力沿型深方向的分布，见图4.

图4　典型横剖面纵向应力沿型深分布

由图4可见，由于所遭受的外载荷和船体结构都相同，钢铝混合模型和全钢模型剖面应力分布非常吻合.船底至舭部区域应力分布波动较为剧烈，舭部至下层甲板，以及下甲板至主甲板之间的船体结构的纵向应力与垂向位置之间均呈线性变化，在各层甲板上的纵向应力与其横向位置相关.

由图4可见，船底至舭部剖面应力分布仍存在波动，但波动程度较图4a)和缓；舭部至下甲板，以及各层甲板之间的船体结构的纵向应力与垂向位置之间均近似呈线性变化，在各层甲板上的纵向应力与横向位置相关.由于上层建筑的影响，图4b)中主船体以下剖面应力分布不同于图4a)，并且，由于上层建筑材料的不同，导致2个模型中典型剖面的纵向应力分布有所不同，主要表现在船底部应力值、应力分布曲线的斜率以及各层甲板处应力的变化范围等方面.

2.3.2结构应力与变形

由于普通钢与铝合金的物理性质不同，因而上层建筑分别采用普通钢和铝合金时，其参与抵抗外载荷的程度不一.相比而言，采用普通钢时的船体结构的刚度大于采用铝合金，因此在相同的波浪载荷作用下，其船体结构的应力水平和变形程度有所不同.选取作用于船体垂向弯矩最大的时刻(t16时刻)作为一种典型状态，从上层建筑的应力分布和变形、主船体的应力分布和变形这4个方面，比较在相同外载荷作用下超级游艇上层建筑分别采用铝合金和普通钢时不同的结构强度.

上层建筑分别采用铝合金和普通钢时，上层建筑的Mises应力分布见图5.其中钢铝混合模型的最大应力为29.7 MPa，全钢模型的最大应力为54.8 MPa.变形见图6.其中钢铝混合模型的最大变形值为10.3 mm，全钢模型的最大变形值为5.06 mm.

图5　上层建筑应力分布

图6　上层建筑变形

上层建筑分别采用铝合金和普通钢时，主船体Mises应力分布见图7.其中钢铝混合模型的最大应力为56.2 MPa，全钢模型的最大应力为57.7 MPa；变形见图8.其中钢铝混合模型的最大变形值为10.9 mm，全钢模型的最大变形值为9.29 mm.

图7　主船体应力分布

图8　主船体变形

3计算结果分析比较

3.1剖面应力分布分析比较

未设置多层甲板的船体剖面的纵向应力沿断面呈线性分布，即不同位置处的应力与其距中和轴的位置成正比.在中拱弯矩最大的时刻(t16时刻)，设置多层甲板的超级游艇的典型剖面应力分布见图4.

没有上层建筑的主船体在相同外载荷作用时，从其剖面应力分布(图4a))中可以看出其分布特性.从船底至舭部区域：船体由于受中拱弯矩的作用，使得船底构件受压.船体外板上各点的总纵弯曲应力随型深的增加逐渐增大，并按线性变化.而由图3知此区域的船体外板所受到的舷外水压力较大，使这部分船体构件产生横向弯曲，船体外板中产生较大的局部应力.总纵弯曲应力与局部应力叠加得到船体构件的纵向应力.由于局部应力的影响使得纵向应力不是严格的线性分布，部分观测点波动较为剧烈.

舭部到主甲板之间的船体外板在中拱弯矩作用下产生的总纵弯曲应力随型深的增加线性增加；舷外水压力随着型深增加急剧减小，船体外板产生的局部应力迅速减小；而总纵弯曲应力和局部应力叠加得到的纵向应力线性增加.因此，船体外板的纵向应力主要由总纵弯曲应力组成，局部作用力的影响较小.所以，在没有上层建筑的主船体剖面应力分布(图4a))中此区域船体外板的纵向应力分布表现出良好的线性.由于甲板上各处局部变形不同导致各点的局部应力不同，致使下甲板和主甲板上各点的纵向应力依赖其横向位置.

从包括上层建筑的剖面应力分布(图4b))中可以看出有无上层建筑以及不同上层建筑时其剖面应力分布的特性和差异.从船底至舭部区域，是钢铝混合模型与全钢模型其应力分布都存在波动，但较没有上层建筑的应力分布的波动程度小. 钢铝模型此区域船体构件的纵向应力变化范围较全钢模型大.原因在于上层建筑承担了一部分载荷，并且采用普通钢的上层建筑承担的载荷更多，因而主船体承担的载荷更小.

舭部至下甲板区域船体外板的纵向应力分布呈现出近似线性，个别观测点存在偏离.钢铝混合模型与全钢模型的纵向应力分布的斜率不同，全钢模型的分布斜率稍大.在下甲板处上的各点的纵向应力也与其横向位置有关，但全钢模型的纵向应力变化范围小于钢铝混合模型.因为此时舷外水压较小，引起的局部作用力较小，船体外板的纵向应力以弯曲应力为主.

下甲板至主甲板间船体外板的纵向应力主要是总纵弯曲应力，钢铝混合模型与全钢模型的纵向应力分布均表现出良好的线性，两者的分布斜率较为接近.但是2个模型在此区域的船体外板的纵向应力之间相差较大，并且主甲板上钢铝混合模型的纵向应力变化范围较大.原因是由于钢铝混合模型主船体承担的外载荷较大，因而其在船体外板中引起的总纵弯曲应力较大.

主甲板至阳光甲板间船体外板的纵向应力近似按线性分布，钢铝混合模型的纵向应力分布斜率大于全钢模型，但纵向应力变化范围小于全钢模型.原因是上层建筑采用普通钢时其刚度较大，承担的载荷较大.因而在驾驶甲板和阳光甲板上，全钢模型的纵向应力变化范围较钢铝模型大.

全钢模型和钢铝混合模型的阳光甲板至罗经甲板，以及罗经甲板上各构件的纵向应力分布较接近，甲板间也呈现出近似线性，但是在罗经甲板上为压应力.原因在从阳光甲板至罗经甲板之间的上层建筑结构较为密集，结构较强，因而钢铝混合模型和全钢模型的纵向应力水平较低且相差不大.并且由于罗经甲板与阳光甲板之间的上层建筑长度较小，罗经甲板与阳光甲板及之下的船体之间的相互作用致使罗经甲板出现反向弯曲，在甲板处出现压应力.

3.2结构应力与变形分析比较

由图5可见，全钢模型中无论是单元最大应力还是整体应力水平都较钢铝混合模型大.原因是全钢上层建筑的刚度较铝合金上层建筑大，因而其承担了更多的载荷，使得其整体应力水平都高于钢铝混合模型.由图7可见，虽然钢铝混合模型的最大应力值比全钢模型的最大应力值稍小，但是由于钢铝混合模型中上层建筑承担的载荷较全钢模型小，因此全钢模型的主船体整体应力分布优于钢铝混合模型.

由图6可见，虽然钢铝混合模型的上层建筑承担的载荷较全钢模型小，其整体应力水平小于全钢模型上层建筑相应应力的一半，但是由于铝合金的弹性模量约为普通钢的1/3，因此，钢铝混合模型的最大变形值和整体变形水平都较全钢模型大.由图8可见，钢铝混合模型的最大变形值和整体变形均较全钢模型大.主要原因是全钢模型的上层建筑承担的外载荷较钢铝混合模型大，在相同外载荷作用下钢铝混合模型的主船体遭受的载荷更大，因而变形更大.

4结 束 语

超级游艇的上层建筑对主船体的结构响应有较大的影响，并且不同材料上层建筑的影响程度不同. 超级游艇设置的多层甲板产生了较强的局部作用力，导致其断面应力分布特性不同于未设置多层甲板的常规船舶.甲板之间的船体外板的纵向应力基本上都是近似线性分布，符合船体梁理论.不同甲板间的船体外板由于局部作用力、材料不同和所处位置的综合影响，导致其线性分布的斜率不同.并且，在各层甲板上由于局部作用力的影响，致使同一甲板上的点的纵向应力依赖于其横向位置.由于普通钢和铝合金的物理属性不同，导致超级游艇的主船体和上层建筑承担的载荷不同，因此，钢铝混合模型与全钢模型的典型剖面纵向应力分布也存在应力幅值和变化范围不同以及分布斜率的差异.

当上层建筑分别采用铝合金和普通钢时，由于两者的物理性质不同导致上层建筑抵抗外载荷的水平不同，其中全钢模型的上层建筑担更大的载荷.因此，全钢模型的主船体和上层建筑的最大变形值和变形状况都较钢铝混合模型小；应力最大值都较钢铝混合模型大.

参 考 文 献

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Structural Strength Analysis of Super Yacht in the Waves

with Different Materials Applied in the Superstructure

ZHANG ShuilinPEI ZhiyongCAI WeiWU Weiguo

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Abstract：The three dimensional singularity distribution method based on potential flow theory is adopted to calculate the motion of the super yacht and the corresponding external water pressure firstly under specified sea condition. Then, obtained loads are transformed to the whole structural model and structural strength analysis of the super yacht in waves is performed by FEM software with aluminum alloy and ordinary carbon steel used in the superstructures respectively. According to the results, the superstructure of super yacht has a great influence on the characteristics of stress distribution of a typical cross-section, and different superstructures have different effect. Besides, the multi-decks of super yacht will change the stress distribution. Furthermore, stress and deformation of super yacht’s structure are not the same when aluminum alloy and steel are taken for the superstructure respectively.

Key words：super yacht; superstructure; structural response; cross-section stress distribution

收稿日期：2015-11-18

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.035

中图法分类号：U663.2