某高速巡逻艇局部强度直接计算

陈亮亮+朱小楠+陈南华+简开勇

摘 要：针对某高速巡逻艇的局部强度问题，采用Patran软件建立全船有限元模型，提出了基于中国船级社《水面舰艇入级规范》（2011）改进的方法对其甲板板架、舷侧板架、船底板架和舱壁板架的局部强度进行评估。结果表明，本文计算方法方便实用，操作简单，可为此类船型的局部强度计算提供参考。

关键词：高速巡逻艇；局部强度；直接计算法；计算载荷

中图分类号：U661.4 文献标识码：A

Abstract：For the local strength of fast patrol boat， the whole FEM model is built by the Patran software and the modified method based on the CCSs Rules for Classification of Surface Naval Ship （2011） is adopted to evaluate the local strength of deck frames， side hull frames， bottom frames and bulkhead frames. The results show that this calculation method is convenient and easy for operation.

Keywords：Fast patrol boat； Local strength； Direct calculation； Calculation loads

1 前言

高速巡逻艇由于其航速较快，首部会和水面发生剧烈的砰击现象，在局部载荷作用下其局部强度显得比较重要[1-2]。准确计算其遭受的外载荷和评估其结构强度对高速巡逻艇的设计和营运具有重要意义。当前专门针对高速巡逻艇外载荷和局部强度直接计算的文章还很少见，已经发表的研究成果主要有砰击载荷局部压力系数[3]的计算，砰击载荷作用下船底肋骨等效设计压力[4]的确定，以及针对门架[5]、汽车渡船机舱[6]、甲板锚机基座[7]、船首瞬态响应[8]等局部强度的直接计算。由于高速船外载荷计算难度很大，这方面的研究成果鲜有发表，而关于高速巡逻艇的强度尤其是局部强度的直接计算流程就更少见。

本文首先基于CCS规范给出的外载荷计算公式求得了某新设计的高速巡逻艇的设计载荷，然后采用Patran/Nastran软件建立三维有限元模型，在确定载荷加载方式、网格划分方式、边界条件等因素后进行求解，得到应力响应结果。本文系统地建立了该船型局部强度的直接计算法方法，简单实用，操作方便。

2 船型概述与有限元模型

本文应用基于CCS规范[1]中改进的方法对某新设计的高速巡逻艇进行局部结构直接计算，该艇的主要参数如下：

在CCS规范中明确要求甲板、船侧、船底和舱壁四种板架应按照直接计算方法校核，可以用板架模型分别校核，作为各类板架结构模型的替代，也可以采用舱段模型在一次计算中同时完成甲板、船侧、船底和舱壁结构的计算。

如果采用板架模型进行校核，则需要建立诸多模型，边界条件的施加对计算结果的影响比较敏感，对计算人员的理论水平要求较高；即便采用舱段模型代替板架模型的计算，也需要对各个舱段分别计算。

为了更加方便快捷的完成该船型的局部强度计算，本文采用整船模型一次性完成主船体结构局部应力响应计算，有限元模型见图1。总体坐标系取右手直角坐标系，原点取在中纵剖面内尾垂线（#0）和基线相交处，x轴沿船长向首为正方向，y轴沿船宽向左舷为正方向，z轴沿型深向上为正方向。

有限元模型网格，沿船体纵向按肋距划分，沿船体横向和垂向按纵骨间距划分。船体的板构件、强框架、桁材的高腹板用四节点板壳单元模拟，尽量少采用三角形单元；扶强材和桁材面板、支柱等用梁单元模拟，并考虑各构件的实际截面和偏心。模型总共有11 989个节点、13 660个板单元、11 135个梁单元。

对于边界条件的规定，规范中的表述为：模型前后端为对称边界条件；横舱壁与舷侧交线横向、垂向位移为零，如图2所示。主船体为钢结构，弹性模量为2.06 X 105 MPa，泊松比为0.3。.

3 舱段的计算工况和载荷

CCS规范中给出了作用在整个船体结构上的船体梁载荷，也给出了作用在船体局部结构上的用以校核结构局部强度的设计载荷。由于舰艇航速不同，船体所受外载荷的性质也不同，本艇相对速度=10.21>7.38，属于高速船的范畴，故给出以下适用于7.38的水面舰艇所受的外载荷计算公式与相应的计算结果。

3.1 甲板载荷

露天甲板及上层建筑的各层露天甲板及其甲板室和后壁板下缘的压力可以按下式计算，但≮5 ：

3.2 舷侧板架载荷

3.2.1 舷外海水压力

舷侧计算压力P按下式计算：

3.2.2 液舱舱壁压力

液舱舱壁压力与该处舰艇的垂向加速度、液舱顶到空气管顶的距离等因素有关，规范中给出的计算压力取以下二者中的大值：

3.3 船底板架载荷

船底部水压力取值为船底波浪冲击压力，由下式确定：

3.4 舱壁载荷

3.4.1 水密舱壁压力

4 计算结果与分析

在完成有限元模型建立、载荷施加和提交求解之后，得到了不同工况下船体板架的应力响应。其中，许用应力取为中面应力，剪切应力取“Max Shear 2D”。

根据《规范》的规定，用直接计算法校核板架强度时许用应力按以下取定：

许用相当应力为=180 N/mm2

许用剪切应力为=94 N/mm2endprint

具体计算结果如表1所列。

由表1可知，相应的应力响应结果满足规范衡准，结构符合安全性要求。

相当应力的响应最大值在工况1的“船尾～FR8”和“FR55～FR67”两个舱段范围内；剪切应力的响应最大值在工况1的“FR78～船首”舱段范围内，如图3～图5所示。

由图3～图5可以看出，相当应力响应的最大值在具有大的液舱舱壁处和具有外飘较大的舱段，由于船侧的砰击压力较大，对该处的结构响应影响也较大。

工况2的结构应力相应较小，结果如图6～图7所示。

工况2的主要载荷是液舱舱壁载荷，由于在FR8处的舱壁处有一个液舱，液舱压头比较大，对舱壁垂直桁和水平桁的影响也较大，因此在具有液舱布置处的结构设计中，需要多加注意。

5 结论与讨论

本文根据CCS《水面舰艇入级规范》（2011）对某新设计的高速巡逻艇的局部强度采用直接计算法进行了全船建模强度评估，得到以下结论：

（1）通过计算表明该规范中有关环境外载荷的计算相对合理，能够反映出不同结构位置所受载荷的特点；

（2）通过直接计算总结了高速巡逻艇的船体结构特点，在船体液舱压力和砰击压力较大位置的局部板架结构的应力响应较大；

（3）给出了一套合理的高速巡逻艇直接计算方法和完善的分析流程，为今后工作提供了一个参考依据。

参考文献

[1] 中国船级社.水面舰艇入级规范[S].人民交通出版社，2011.

[2] 杨代盛.船体强度与结构设计[M].上海交通大学，1981.

[3] 王辉.船体局部强度设计中的砰击载荷确定方法[J].中国造船，2010，51（2）.

[4] 王辉，顾学康，祁恩荣等.砰击载荷作用下船底肋骨等效设计压力的确定[J].舰船科学技术，2010，（2）.

[5] 虞建荣.拖网渔船门架局部强度直接计算方法研究[J].中国水运，2014，（2）.

[6] 刘占群.汽车渡船机舱局部强度直接计算方法研究[J].中国水运，2014，（11）.

[7] 张晓君.基于Nastran的船舶局部强度有限元分析[J].浙江海洋学院学报，2006，25（3）.

[8] 任慧龙，翟帅帅，于鹏垚等.砰击载荷作用下船艏结构瞬态响应研究[J].中国舰船研究，2013，06（3）.endprint