喷水船主船体的强度分析

曹 茜， 孟 巧， 刘天路 ，郑 策

(南通理工学院 电气与能源工程学院，江苏 南通 226002)

0 引言

作为一种新型的海上运输方式，喷水船具有浅吃水、附件阻力小、保护性能好等诸多优点，其应用范围越来越广泛[1]，在高速推进技术上的优势也逐渐显现。由于喷水船在航行时船体所遭受的载荷以及结构所承受的强度与普通船型有所不同，因此，在喷水船结构设计中，如何采用适当的方法对船体强度进行精确的计算分析，并根据分析结果对船体结构进行优化设计显得尤为重要。本文利用大型有限元分析软件ANSYS对南通理工学院大创项目(xdc2018007)中自主设计的喷水推进船模的主船体强度进行仿真分析，计算出不同工况下喷水船的应力分布，优化主船体的局部结构，根据中国船级社(CCS)《钢质海船入级与建造规范》进行校核，为喷水船的模型设计提供技术指导和理论依据。

1 喷水船模介绍

本文设计的船模采用的是泵压喷水推进，材质为木材、ABS板，主船体外敷设玻璃钢保持水密性。船模主尺度如下：

总长80 cm，型宽20.33 cm，形深8.64 cm，设计吃水4.5 cm。

首先在CAD软件中对本船的横剖线图进行设计与调整。根据船体的板材形状，依次进行板材创建，将型线图中的横剖线图导入到三维建模软件UG中使其三维化，利用UG软件中的翻转和偏移命令，将二维的型线图三维化。船体表面结构、内部结构三维效果分别见图1和图2。三维模型完成后，保存成.stp格式，导入ANSYS Workbench中进行强度计算。

图1 船体表面结构三维图

图2 船体内部结构三维结构图

2 计算结果及分析

将建好的模型导入ANSYS Workbench之后，进行网格划分、施加载荷、设置边界条件、强度计算，最后对结果进行相应分析。

2.1 网格划分

在菜单栏中选择网格选项中的创建网格，对船体甲板位置创建四面体网格，船体位置创建规则六面体网格，全局网格尺寸为10 mm。网络划分效果见图3～图5。

图3 甲板位置网格划分图

图4 船体外板网格划分图

图5 整船网格划分

2.2 边界条件和载荷

为了消除刚性位移，必须对船体施加约束。为避免由于静力不平衡导致约束点产生较大的支反力而影响计算结果，根据中国船级社(CCS)规范要求，本文选取4个远离船中区域的点施加自由度约束：节点1在Y方向位移固定，节点2在X、Y、Z3个方向位移固定，节点3和4都在Z方向上固定，具体约束施加见图6。

图6 约束施加图

本文主要选取空载出港和满载出港2个工况作为研究工况。空船质量主要由船模的木材、玻璃钢等材质的质量和喷水泵的质量组成。空船质量为2 kg简化为均匀分布在船体的质量力。为了计算方便，在船模上表面施加一个均布载荷q，满载工况下简化为船模表面多增加一个均匀分布的质量为8 kg的物体。

2.3 结果分析

本文主要对空载和满载2个工况进行强度仿真计算分析。空载、满载这两种状况下船体表面应力分析分别见图7、图8。图中可知，最大应力发生在艉封板与主甲板的交点处，空载状况下其最大值为2.240 5 MPa，满载状况下最大值为8.159 1 MPa。空载、满载状况下船体表面形变分别见图9、图10。从图中可知，最大变形发生在船体主甲板中部，空载状况下其最大变形为0.032 58 mm，满载状况下最大变形为0.173 57 mm。

图7 空载船体表面应力分析图

图8 满载船体表面应力分析图

图9 空载船体表面形变图

图10 空载船体表面形变图

由结果可知，最大应力发生的位置是艉封板、主甲板和舷侧的交点。由于设计模型时交点处没有改成圆弧形，因此产生应力集中现象，在进一步模型优化时，要引起重视。由总变形结果得知，最大变形出现在船中部，这里也受到最大弯矩的作用。因此，为保证船体总纵强度，此处要加强结构强度，可通过增加船体骨架的方法进行改善。

3 主船体结构优化

对于本船船体的结构而言，在船中部位上甲板出现较大变形，在艉封板与主甲板、舷侧外板的交点处产生应力集中。为减少最大应力以及最大变形程度，尝试添加纵向强力构件及横向构件来降低这两个数值。本例采取增加横向构件的方法来优化结构。依据变形图以及应力图在应力及变形程度较大的地方，即船体中部，对该位置的船体内部均匀添加5个加强筋。其材质与船体材质相同，均为3 mm厚的木板。间距为60 mm，距离船首第一个加强筋位置为180 mm，沿船底纵向添加两道纵骨。船体内部结构对比分别见图11和图12。

图11 优化前船型内部结构图

图12 优化后船型内部结构图

对优化后的模型，同样进行空载和满载两种工况下的总纵强度分析。经对比发现，各项数值经过优化后明显降低(见表1)，但在满载情况下，优化后的最大应力却有所增加，此应力增加的位置处于艉封板与主甲板的交点处。通过对结果分析可知，在有限元软件分析过程中，对船体模型施加单点约束可能会出现应力畸变现象，这种现象是计算有限元本身可能出现的问题，所以导致了优化后施加重物应力变大的问题。在有限元分析过程中，定义边界条件时对面进行约束是一种避免产生应力畸变的一种有效措施。

在实际工程项目中单点的应力增加一般不会产生较大影响，对整个构件影响较大的主要是构件的形变程度。经过此次优化，本船体的最大形变程度明显降低，说明此优化方案是可行的。

表1 船体最大应力和最大变形对比

4 结论

本文通过对大学生创新项目中学生自主设计的喷水船模进行有限元仿真计算，分析其受力情况，并对空载及满载2种工况下喷水船主船体结构强度进行计算和分析，得到以下结论：

(1)本船为小型自主设计的船体模型。由于本船尺寸过小，所得的应力对比以及船体的总形变并不显著，但等比放大到大型船舶中，其实际应力大小以及形变量经过优化后可能会大幅降低。本艘小型船模的受力分析以及优化过程对实际船型具有一定的参考价值。

(2)经过优化后的船体主要体现在改变了部分结构的布置。在船中位置上添加了5个加强筋及2道纵向构件。通过有限元分析可知，空载以及满载2个工况下优化过后，应力的分布发生了明显的变化，优化后的船体底板的变形也大大降低，大幅提高了船舶的结构强度，说明此方案具有一定的可行性。

(3)本文只对舷外水压力、空船质量和货物压载进行有限元分析，其他的载荷在分析过程中尚未施加，如波浪载荷和流体载荷等因素尚未考虑。载荷因素应该更符合实际受力情况，在今后研究中会进一步考虑。

(4)结构优化中只考虑了增加横骨架来满足强度要求，并没有对增加纵向骨架的情况进行计算。课题后续研究中会着重考虑纵向骨架对强度的影响和2种骨架形式的强度对比，从而寻找更优方案。