某小水线面双体船下水强度计算

张旭

摘    要：本文介绍了某小水线面双体船的结构特点及其在下水方面的特殊性。采用有限元法，对该船下水典型工况进行了强度分析，得到在相应工况下的应力分布特点，取得了有意义的研究成果， 可供小水线面双体船建造生产或类似计算参考。

关键词：小水线面双体船;下水;有限元方法

中图分类号：U663                                    文獻标识码：A

Launching Strength Calculation of Small Waterplane

Area Twin-hull （SWATH） Ship

ZHANG Xu

（ China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064 ）

Abstract： The structural characteristics and particularity in launching of small waterplane area twin-hull （ SWATH） ship are described in this paper. With finite element method， launching strength calculation under typical working conditions is carried out， the stress distribution characteristics of the SWATH ship under the work conditions is obtained， some meaningful results on the launching strength of the SWATH ship are obtained as references for its construction or similar calculation.

Key words： SWATH ship; Launching calculation; Finite element method

1     引言

船舶下水是在船舶建造基本竣工之后， 将船舶从船台建造区移到水中去的工艺过程。下水按原理分类，大致可分为三大类：重力式下水、漂浮式下水和机械化下水。

纵向下水虽然操作工艺较为复杂，下水过程中尾浮时会产生较大的前支点压力，对首部结构产生不良的影响。但纵向下水方式具有设备简单、建造费用少和维护管理方便等优点，所以目前仍被广为采用[1，2]。船舶纵向下水是极其重要且事故因素较多的一项工艺过程，研究下水过程中的船舶运动状态以及可能出现的各种现象，是讨论下水工艺措施的必备条件。

小水线面双体船（SWATH）是一种耐波性优良、操纵性好、航向稳定性好、甲板面积大的特种船舶[3]，一般由2 个流线型的水下潜体、连接水下潜体与上船体之间的狭片状双支柱体和高出水面的上层船体三部分组成[4]。

小水线面双体船与常规的单体船水下及水线附近结构形式差异较大，其下水与常规船舶下水有很大的差异，常用的理论计算方法无法适用于此类船舶。如何得出小水线面双体船在船台下水时船体结构的受力状态和应力分布状态，是下水工程的难点和关键技术。因此分析其下水过程，采用有限元方法对其下水强度进行计算， 研究结构强度并清晰的展示船舶下水时的应力分布特性，进而可以有针对性的采取措施避免事故发生，保障下水安全。

2     船舶概况

小水线面双体船独特的外形决定了其结构方案也与其他类型船舶大为不同，某1 000 t级小水线面双体船主要结构特点如下：

（1）主船体采用高强度钢，上层建筑采用普通钢;

（2）采用横骨架式和较小的肋距（500㎜）;

（3）主船体部分设有连接桥抗扭箱体，箱体内纵壁与片体内舷对齐;设置包括前后箱体端壁在内的数道主横舱壁，并尽量延伸到片体中，成为片体的横隔壁，每三～四档设置强框架;

（4）片体内设置湿甲板，采用双层结构以保证甲板的强度和刚度，提高桥体的剖面模数;片体内设置包括前后桥端壁在内的数道水密舱壁。每三～四档设置强框架，以避免水下部分的外力仅通过横舱壁传递到桥体而产生应力集中，并增加片体自身刚度;

（5）该船长度相对较短，片体狭长，横向强度、刚度较弱，底部肋板开孔多、板厚薄，这些因素都不利于下水过程中船底承受支反力。为了准确计算出本船在船台下水时，船体结构应力分布的具体情况，本文在合理的范围内等效、简化实际状态为较简洁的力学模型，采用有限元方法对该船的下水强度进行校核。

3    下水过程分析

船体梁在下水过程中的任意位置，都在重力、浮力和支墩反力的共同作用下保持平衡，因此本文在静力学的范畴内分析和处理问题[5]。小水线面双体船纵向下水的全过程，在理论上可分为两个阶段：第一阶段为船体入水前，船体被搁置在多个弹性支座上，此时可将船体视为刚性体;第二阶段为船体入水后船体浮力逐步取代支座支承力的这段过程。首先在船尾处产生浮力，船尾开始上浮，在一定船长范围内仍有许多支座支撑着船体，在浮力、支座反力以及重力的作用下，可将船体视为弹性体。支承反力并非仅作用在端部前支点一个支座上，可认为支承反力分布在船端一些独立的弹性支座上[6，7]。

结合上述下水过程，可初步得到船舶入水前和入水后在起浮过程中的比较危险的两种状态：

（1）第一种危险状态

入水前，设定该船移至平台小车上，将所有中间支撑（连接桥处）和临时加强取消，只保留潜体下端坞墩支撑。此时船舶支撑最少，因还未入水不会产生浮力的作用。此时，船位于船台上，由设立在该船左右两个下潜体上26处肋位的坞墩进行支撑;这种状态下强度计算时，只需考虑船体结构和设备的自重。

（2）第二种危险状态

船舶入水后起浮，出现0.36°的首倾，此时平均吃水为3.19 m，此时只有首支点（7号肋位）受力，并且受力为极端状况，计算时需考虑船体的倾斜、船体结构和设备的自重、首支点反力，以及平均吃水3.19 m时受到的水浮力等载荷。

由于经典的下水理论难以确定小水线面双体船的应力分布情况，需要借助有限元分析，获取船舶下水时的应力状态及其分布，以保障下水工程的安全性。

4     下水强度校核

采用大型通用有限元软件PATRAN，建立有限元模型，对上述的两种危险工况进行下水计算。

4.1    有限元模型

为了真实地模拟船在下水过程中的结构响应，建立全船长度范围内的有限元模型进行计算：

（1）模型采用右手坐标系：原点设于船尾纵中剖面基线处;x轴为沿船长方向指向船首方向为正;y轴为沿水平方向向左舷为正;z轴为垂向由原点向上为正;

（2）根据结构的实际受力状态，将各类构件用以下单元类型模拟：

① 板壳元：包括甲板、外板、纵舱壁及横舱壁、纵桁及横框架腹板及高度大于250 mm的扶强材的腹板等;板单元大小纵向取肋距，横向及垂向取纵骨间距，形状尽量接近正方形，边长比不超过1：3;在开孔或结构交接处，采用少量三角形单元过渡;

② 梁单元：包括板材上的纵横骨材、纵横舱壁上扶强材、支柱、其他腹板高度小于250 mm的T形材等;梁单元的设置需考虑其实际偏心情况;

③ 杆单元：包括强框架上小的加强筋、纵桁及横框架面板，腹板高度大于250 mm的T形材的面板、肘板面板及其他板边缘的面板等;

（3）根据所选材料，屈服极限分别为355 Mpa及235 Mpa，材料参数为E=2.01×1011pa，μ =0.3，ρ=7850 kg/m3。

有限元模型，如图1、图2所示。

4.2   边界条件

计算时，第一种及第二种危险工况取墩木处为简支边界条件。

4.3   计算载荷

按照两种危险工况实际受力情况进行加载：第一种工况只考虑船体结构和设备的自重，总重量约为1170 t;第二种工况考虑船体的倾斜、船体结构和设备的自重、首支点反力，以及平均吃水3.19 m时受到的水浮力，其中水浮力按照水壓力的方式施加。

4.4   计算结果

通过仿真计算分析，得到两种典型工况下全船合成应力：

（1）船舶入水前

根据计算结果，应力及位移结果云图见图3-图9。整体有限元模型的Von Mises应力分布见图3、图4：最大壳单元应力为38.9 Mpa，出现在90号肋位的下潜体上（见图5）;最大梁单元应力为88.9 Mpa，出现在102号肋位附近的下潜体上（见图6）;最大的垂向位移出现在船体尾部舯线附近，大小为4.56 mm（见图9）。

（2）船舶入水后半浮状态

根据计算结果，整体有限元模型的Von Mises应力分布见图10、图11：最大壳单元应力为194 Mpa，出现在#7号肋位附近的下潜体上（见图12）;最大梁单元应力为292 Mpa，出现在#7号肋位附近的下潜体上（见图13）;最大的位移出现在尾甲板附近，大小为25.5 cm（见图14）。

由上述应力和位移云图可以看出：两种典型下水工况下最大应力均出现在下潜体上，最大变形分别出现在船体尾部及下潜体上;本船各工况下应力数值均小于材料屈服极限，即下水过程中结构的强度满足要求。

5    结语

结合小水线面双体船的结构特点，研究该类船舶下水过程中的运动状态及可能出现的各种现象，获取危险工况;采用有限元方法开展计算，研究结构强度并清晰的展示该型船舶的应力分布特性，由此获得了一些关于小水线面双体船下水强度的研究成果， 为船舶安全下水提供支撑。

通过小水线面双体船的下水过程分析可知，其下水过程可分为入水前及入水后两个阶段，两阶段均存在较危险的典型工况。本文对下水过程及典型工况的分析，可为后续小水线面双体船下水简化计算提供参考。

现行理论计算方法尚无法适用于结构形式特殊的小水线面双体船，本文采用有限元仿真分析方法，直观的展示了小水线面双体船典型下水工况下的应力和变形分布情况。本文提供的仿真模型模拟原则、约束的选取等，对同类船舶下水计算具有指导意义。

仿真计算结果显示各典型工况下最大应力均出现在下潜体，可见下潜体是承受下水载荷的主要区域。由于外形特性， 双体船船体底部刚度相对较差，在设计过程中或下水之前可有针对性的对相应区域进行一定的加强，以避免出现局部应力或变形过大等问题，保障下水安全。

参考文献

[1] 李培勇. 纵向滑道船舶下水计算研究[J]. 武汉交通科技大学学报， 1994（18）：354-358.

[2] 姚熊亮， 张兢， 高良田， 王治安等. 纵向重力式下水计算中船体强度分析[J]. 哈尔滨工程大学学报， 2003（24）：1-4.

[3] 葛纬桢. “试验1”号科考船设计研究[J]. 舰船科学技术， 2014， （36）： 32-42.

[4] 蔡小阳. 小水线面双体船的运用与发展[J]. 舰船科学技术，  2012， （34）： 61-64.

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