小型双体休闲船结构总强度计算

周俊霖， 夏小浩， 邵汉东

(1.扬帆集团股份有限公司， 浙江 舟山 316100； 2.浙江嘉蓝海洋电子有限公司， 浙江 舟山 316100)

0 引 言

由于稳性好、舒适性好等众多优点，双体船成为海上休闲观光、海钓的理想船型。本文结合中国船级社《海上高速船入级与建造规范(2015)》[1]及《材料与焊接规范(2015)》[2]的要求，采用MSC.Patran/Nastran软件，对34.7 m双体休闲船应用直接计算方法进行船体总强度(包括总纵强度、横向强度和扭转强度) 计算，采用全船整体三维模型进行总体结构分析，计算载荷以及总纵弯矩、总横弯矩和总扭矩。

1 双体休闲船结构强度计算

1.1 双体休闲船相关参数和结构型式

目标船为钢铝复合结构、单底、单甲板、前倾艏、方艉、艉纵倾、双体折角线型、双机、双桨、双舵、艉机型双体船。主船体由连接桥结构连接左、右两个刚性水密片体组成的双体结构以及艏附加体组成。主甲板以上设置两层甲板室。甲板室全部采用横骨架式、铝合金全焊接结构。该双体休闲船主要参数如表1所示。

表1 双体休闲船主要参数

1.2 水动力载荷计算

采用SESAM软件的Patran pre模块建立目标船外表面模型，原点位于艉封板与船体中线交点处，x轴指向船首为正方向，y轴指向左舷为正方向，z轴垂直向上为正方向。各装载状态下的实船质量分布用沿船长方向分布的21根质量棒及其两端的质量点模拟。在HydroD模块中湿表面模型与质量模型组合成水动力模型，如图1所示。

图1 水动力模型

全船设置21个横向计算剖面和7个纵向计算剖面。横向计算剖面(T1～T21)沿船长方向均匀分布。纵向计算剖面沿船宽方向，L1为中纵剖面，L2和L3分别为左右片体与连接桥连接处剖面，L4和L5分别为左右片体中心线位置剖面，L6和L7分别为左右片体与舷台相交处剖面。波浪频率按波长与船长比的0.2～3.0确定，步长取0.1。浪向角取0°～180°，间隔为15°。

基于三维势流理论，应用中国沿海波浪散布图，用P-M波浪谱模拟散布图中的海况，用二维Weibull分布拟合波浪长期分布，对波浪载荷进行长期预报，得到船舶在航行寿命期中10-8超越概率下各计算截面处的波浪垂向弯矩、总横弯矩和扭矩的长期预报值，如图2～图4所示。计算得到满载出港工况下垂向弯矩长期预报值在浪向角为180°(迎浪)时最大，总横弯矩长期预报值在浪向角为90°(横浪)时最大，扭矩长期预报值在浪向角为75°(斜浪)时最大。

船体所受总纵弯矩(中拱弯矩和中垂弯矩)用静水弯矩(由完整稳性装载计算书得到)加上波浪弯矩确定。

图2 波浪垂向弯矩长期预报值

图3 总横弯矩长期预报值

图4 扭矩长期预报值

1.3 全船有限元模型

建立双体休闲船整船结构三维有限元模型。采用板壳单元模拟船体外板、甲板、舱壁、肋板、隔板等板材以及强横梁、强肋骨、桁材的腹板，采用梁单元模拟肋骨、纵骨、加强筋、扶强材、桁材的面板等[3-4]。网格大小按肋距和纵骨间距划分。网格单元的边长比须小于3。整船模型的单元数量为49 712个，节点数为34 112个。全船有限元模型如图5所示。

图5 全船有限元模型

坐标系统采用右手笛卡尔坐标系，原点O位于FR 0号肋位船底中线处，x轴从船尾指向船首为正方向，y轴从右舷指向左舷为正方向，z轴垂直向上为正方向。

(1) 边界条件。给有限元模型施加边界条件，约束6个位移分量以限制模型的空间刚体运动，并且不能影响各部分结构的相对变形[5-9]。在双体钓鱼船中纵剖面上取艏、艉部各1点A和B，中部舷侧1点C。A点约束x、y、z方向的3个位移分量，B点约束y和z方向的2个位移分量，C点约束z方向的分量。边界条件示例如图6所示。

图6 边界条件示例

(2) 材料参数 。主船体及连接桥材料采用CCSA级船用钢材。所有甲板室围壁板材采用5083-H321铝合金材质，所有甲板室型材采用6082-T6铝合金材质。主船体及甲板室之间采用铝钛钢三复合过渡接头3A21+TA2+CCSA连接。材料参数：钢的弹性模量取2.06×105N/mm2，铝合金的弹性模量取0.70×105N/mm2；泊松比ν= 0.3。

1.4 载荷施加

1.4.1 总纵弯矩加载

《海上高速船入级与建造规范》(简称《规范》)假定船体总纵弯矩沿船长方向按正弦函数曲线形式分布，其表达式为

(1)

式中：x为从艉垂线量起的横剖面纵向坐标；L为船长。

函数曲线的幅值为船中横剖面的总纵弯矩My,B值。

M(x)与施加沿船长分布的垂向力q(x)等效，q(x)(向上为正)计算式为

(2)

(3)

分别计算中拱与中垂两种情况，在有限元模型片体甲板中线上施加沿船长分布的q(x)，施加到有限元模型上的节点力为q0/2。 在MSC.Patran软件中模型的加载如图7和图8所示。

图7 总纵弯矩加载(中拱)

图8 总纵弯矩加载(中垂)

1.4.2 总横弯矩加载

根据《规范》，用总横弯矩Mx,B计算等效的横向对开力Fy的公式为

(4)

式中：z为设计水线到连接桥中横剖面中和轴的距离，m；d为设计吃水，m。

将横向对开力施加于模型吃水的一半高度处，如图9所示，分别按向外作用和向内作用的两个工况进行计算。

图9 横向对开力加载示例

在实际计算时，将Fy换算为分布在连接桥整个长度范围内的分布载荷施加于船体模型，分布载荷q的计算式为

(5)

式中：Lb为连接桥纵向长度，m。

将分布载荷q换算成等效集中力P，作用于船体横向强框架上。P计算式为

(6)

式中：S1和S2分别为横向强框架的前后间距，m。

施加到模型上的节点力为P/2，在MSC.Patran软件中模型加载如图10和图11所示。

图10 横向对开力加载(向外)

图11 横向对开力加载(向内)

1.4.3 总扭矩加载

根据《规范》，双体船绕船宽方向y轴的总扭矩My,t以作用在片体半船长上反对称分布的均布载荷p来等效。反对称分布指的是：在同一片体上以中横剖面为分界，前后载荷的方向相反，左右片体上载荷的方向也相反，如图12所示。

图12 等效均布载荷加载示例

等效均布载荷计算式为

(7)

使用集中力的形式加载时，其大小等于分布力与加载区间长度的乘积。对于该双体船，加载区间即片体甲板的长度，该区间节点的数量为128个。在MSC.Patran软件中模型加载如图13所示。

图13 总扭矩加载

2 屈服强度计算结果

2.1 许用应力

双体休闲船各构件的最大计算应力应不大于表2所列的许用应力。

表2 总强度许用应力

本船主船体采用CCSA级钢，取σSW=σS=235 MPa；上层建筑结构全部采用铝合金材料，板材用5083-H321，取σSW=215 MPa，型材用6082-T6，取σSW=250 MPa。

2.2 计算结果与分析

在双体休闲船结构总强度分析中，计算的载荷组合工况如表3所示。

各工况的整船等效应力分布如图14所示。

由图14各工况下整船von Mises应力计算分布可得主船体应力分析结果如表4所示。主船体板单元最大等效应力和最大剪应力出现在工况LC 01和LC 02，即横向对开力作用时；梁单元最大正应力出现在工况LC 07和LC 08，工况LC 07和LC 08的应力大于工况LC 09和LC 10的应力。这说明：主船体最大应力受总横弯矩影响最大，其次为扭矩。在LC 03～LC 06工况时，主船体的应力较小，说明总纵弯矩对该双体休闲船的屈服总强度影响不大。

表3 计算工况

表4 主船体应力分析结果汇总

关键构件在最危险工况下的应力结果如表5所示。

表5 关键构件应力结果

图14 整船等效应力分布

图15～图20为最大应力工况对应的关键构件应力云图。

图15 上层建筑等效应力(LC 01)

图16 片体主甲板等效应力(LC 07)

图17 横舱壁等效应力(LC 01)

图18 横框架等效应力(LC 01)

图19 连接桥结构等效应力(LC 07)

图20 船底龙骨等效应力(LC 07)

3 结 论

对34.7 m双体休闲船进行了整船结构总强度分析，计算结果表明：

(1) 对于双体船的结构总强度来说，总横弯矩的影响最大，其次为扭矩，总纵弯矩影响较小。因此，在进行双体船船体结构设计时，应注意加强连接桥抗横弯和扭转的强度，可采取适当增加连接桥上封闭式箱型结构等措施。

(2) 由总强度计算结果发现，横向构件应力较大，尤其是连接桥部位、强框和横舱壁圆弧处。连接桥结构的应力分布与片体结构的布置密切相关, 连接桥中与片体横舱壁相接的横隔板的计算应力相对较大，而与片体横舱壁错开布置的横隔板的计算应力相对较小，说明连接桥结构的应力大小与在对应处与其相接的片体结构的刚度有很大关系。连接桥甲板的应力相对较小而连接桥底板的应力相对较大，这是因为连接桥甲板与片体甲板保持连续，而连接桥底板在横向是间断的。连接桥与片体横舱壁连接处的甲板、底板以及横隔板等有明显的应力集中现象，所以在结构设计时应特别考虑连接桥与片体相接处的结构和连接方式。

(3) 扭矩作用下双体船连接桥首尾部的应力相对较大, 中间部分应力相对较小。由于双体船在扭矩作用下连接桥首尾部的主要是抗扭结构，因此应保证连接桥首尾部结构有足够的强度。

(4) 该双体船的上层建筑尤其是第一层甲板室较大程度地参与了横向和扭转强度，能有效改善主船体的应力状态，对总纵强度的影响程度很小。

(5) 在横向组合应力作用下，机舱外龙骨也存在局部较大应力，特别是在机舱区域，在设计建造时应注意。