基于Patran的高速小水線面雙體船有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

胡 犇,許 晟,梅國(guó)輝,侯國(guó)祥

(1.華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心,湖北 武漢 430064)

0 引 言

小水線面雙體船(SWATH)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種新概念高性能艦船。SWATH船型的大部分排水體積深入水下,大部分有效容積升離水面,二者中間用水線面較小的支柱相連,使它像潛艇、水翼艇一樣具有興波小和受波浪干擾小的特點(diǎn);又因其船體分成左右2部分,它還具有雙體船甲板面積大和復(fù)原力臂大的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)的綜合效果就表現(xiàn)在該型船舶具有優(yōu)良的耐波性、顯著的快速性、寬敞的甲板面積、較強(qiáng)的生命力和良好的操縱性。小水線面雙體船與常規(guī)單體船相比具有優(yōu)越的耐波性能(在風(fēng)浪中運(yùn)動(dòng)量最小,失速不嚴(yán)重)和寬廣的甲板面積,引起了造船界和船東的極大興趣。美國(guó)、日本等國(guó)更掀起了建造小水線面雙體船的熱潮。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始共建造了50多艘用于海洋考察、水聲監(jiān)聽(tīng)、車客擺渡以及旅游觀光的小水線面雙體船。我國(guó)從1994年開(kāi)展小水線面雙體船的實(shí)用設(shè)計(jì)研究,2001年建成了第1艘200 t級(jí)的海關(guān)監(jiān)管艇,隨后又陸續(xù)設(shè)計(jì)并正在建造最高噸位達(dá)到2500 t可在全球航行的小水線面雙體船,開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)造船界一個(gè)嶄新的領(lǐng)域[2]。

海關(guān)監(jiān)管艇的船體主要尺度為:總長(zhǎng)36.0 m,型寬14.6 m,型深7.0 m,片體間距12.1 m,支柱最大厚度1.2 m,下潛體最大直徑2.4 m,設(shè)計(jì)排水量190 t。兼顧船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗低溫和減輕重量等方面的因素,本船采取橫骨架式和縱骨架式相結(jié)合的船體結(jié)構(gòu),其中連接橋和封閉箱式采取橫骨架式;其他結(jié)構(gòu)包括潛體、支柱體等都是采用縱骨架式,因?yàn)橘Y料表明,縱骨架式的船體結(jié)構(gòu)要比橫骨架式減輕3%。本船采用全鋁合金結(jié)構(gòu),這樣從結(jié)構(gòu)和材料上均從船體減重方面進(jìn)行了優(yōu)化選擇,保證了快速性要求。

1 全船有限元模型的建立

通過(guò)通用有限元軟件MSC.Patran建立全船模型。有限元模型采用右手坐標(biāo)系,即原點(diǎn)設(shè)于船尾處,x軸為沿縱向船首方向?yàn)檎?y軸沿水平方向向左舷為正,z軸為垂向由原點(diǎn)向上為正。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)將全船各類結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)式樣離散為下列幾種類型:板殼元(4節(jié)點(diǎn)或3節(jié)點(diǎn))模擬甲板、舷側(cè)外板及支柱體、下潛體、連接橋、甲板縱桁、縱艙壁及橫艙壁、肋板、強(qiáng)框架、甲板室等;梁元(2節(jié)點(diǎn))模擬板材上的縱橫骨材等,對(duì)主船體上的弱橫梁構(gòu)件等效為梁?jiǎn)卧O(shè)于板單元的網(wǎng)格邊界;桿元(2節(jié)點(diǎn))模擬縱桁、肋板、主船體強(qiáng)橫梁等強(qiáng)構(gòu)件的上翼板,支柱等;質(zhì)量點(diǎn)單元,調(diào)節(jié)重量分布。單元網(wǎng)格尺寸控制縱向以肋骨間距為單元的1個(gè)網(wǎng)格尺寸,橫向以縱骨間距為單元的1個(gè)網(wǎng)格尺寸,垂向以舷側(cè)縱骨垂向間距為單元的1個(gè)網(wǎng)格尺寸。根據(jù)船級(jí)社規(guī)范,船體結(jié)構(gòu)有限元分析網(wǎng)格尺寸最大一般取為肋骨間距500 mm。全船有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為32118,單元數(shù)為72094。整船有限元模型見(jiàn)圖1。

邊界條件和約束:尾部尾尖艙橫艙壁底部取橫向?qū)ΨQ的2節(jié)點(diǎn),約束y向和z向的線位移;首部首尖艙橫艙壁底部取縱軸上的1節(jié)點(diǎn),約束x向、y向和z向的線位移。

為了保持船舶的高速性,控制船身重量,同時(shí)保證船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,對(duì)主船體部分采取以下局部加厚措施:

圖1 整船有限元模型Fig.1 Finite element model for the whole ship

1)橫艙壁板局部加厚。各橫艙壁沿內(nèi)舷圓弧過(guò)渡處由6 mm加厚至10 mm;各橫艙壁支柱部位由6 mm加厚至10 mm;在24、35和43站位處的橫艙壁與甲板縱桁相交處部位加厚至10 mm(見(jiàn)圖2)。

圖2 橫艙壁局部加厚Fig.2 Partly thickness increasement on cross bulkhead

圖3 主船體外板厚度Fig.3 Side plate thickness of main hull

2 外載荷計(jì)算和工況

從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)來(lái)看,小水線面雙體船的船體結(jié)構(gòu)型式和受力狀態(tài)均與單體船和常規(guī)雙體船相比都要復(fù)雜。連接2個(gè)狹長(zhǎng)片體的連接橋以及單薄的支柱體是船體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。同時(shí),該型船的浮力提供僅靠其水下部分的2個(gè)魚雷狀潛體和部分支柱體,且支柱體的水線面積很小,所以該型船對(duì)船舶重量以及設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中的重量重心都有嚴(yán)格的控制。由于小水線面雙體船的船長(zhǎng)型深比很小,所以其船體結(jié)構(gòu)具有較足夠的縱向強(qiáng)度和剛度,因而它的縱向承載能力是比較富裕的,對(duì)于船長(zhǎng)小于50 m的小水線面雙體船通常不必進(jìn)行總縱強(qiáng)度校核,大于50 m時(shí)則需對(duì)縱向強(qiáng)度進(jìn)行校核。但是小水線面雙體船有較大的側(cè)面積和較大的型深,在橫波情況下,有可能受到較大的橫向波浪誘導(dǎo)載荷——總橫彎矩,以及由于側(cè)向力沿x軸向分布不均造成的水平扭矩。在對(duì)全船的橫向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算時(shí),采用3種側(cè)向力分布形式(均勻分布、梯形分布及正弦分布),其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果證明應(yīng)力值相差不會(huì)超過(guò)10%[1]。所以對(duì)本船的計(jì)算中,總橫彎矩的側(cè)向力呈均勻分布,分為向內(nèi)和向外2種工況(見(jiàn)圖4);水平扭矩的側(cè)向力分布采取梯形分布和三角形分布(見(jiàn)圖5)。

1)總橫彎矩

根據(jù)船模在水池的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,側(cè)向力的合力作用位置大約在整船吃水的1/2處,所以對(duì)吃水以上任意位置由側(cè)向力FS產(chǎn)生的總橫彎矩可表示為:

式中:dZ為從基線至計(jì)算點(diǎn)的垂向距離,m;qS為作用在支柱體均布載荷,kN/m。

2)水平扭矩

由于側(cè)向力沿船長(zhǎng)x軸方向分布不均,造成了對(duì)船體在水線面內(nèi)的水平扭轉(zhuǎn)力矩Mxy,這是由于小水線面雙體船自身雙潛體的結(jié)構(gòu)特性所形成的特殊載荷,是一般艦船所不具有的,其量值計(jì)算方法可按ABS《小水線面雙體船建造與入級(jí)指南》(1999)(以下簡(jiǎn)稱ABS(1999))版本:

式中:FS為側(cè)向力,kN;ls為水線處支柱體長(zhǎng)度,m;Kt為扭臂系數(shù),見(jiàn)ABS(1999)圖B.3。

以上各式中,側(cè)向力FS的確定可采用理論計(jì)算和試驗(yàn)研究的方法。理論計(jì)算多以切片理論為基礎(chǔ),配合船體運(yùn)動(dòng)性能的計(jì)算,得到橫向波浪載荷的計(jì)算程序;也可應(yīng)用系列化改變小水線面雙體船的主要尺度的法,通過(guò)理論計(jì)算求得橫向波浪載荷的近似計(jì)算公式。如上提出,橫向彎矩可用1個(gè)作用于船中吃水一半處的等效側(cè)向力來(lái)表示,而側(cè)向力設(shè)計(jì)值F與排水量 Δ之比具有下述簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系[4]:

式中:L,B,T分別為船長(zhǎng)、型寬和吃水;D為排水量的函數(shù);K為常數(shù)。

參照《ABS(1999)》,水線面雙體船側(cè)向力設(shè)計(jì)值FS可按下式計(jì)算:

當(dāng)小水線面雙體船處于斜浪狀態(tài)時(shí),它的受載情況很復(fù)雜,不僅要受到由于橫向波浪力和水平扭矩作用,而且由于2個(gè)片體搖擺運(yùn)動(dòng)的不同步,還會(huì)受到縱搖扭矩和橫搖扭矩。在《ABS(1999)》中只考慮橫向波浪力和水平扭矩,而在CCS《小水線面雙體船指南(2005)》(以下簡(jiǎn)稱CCS(2005))中則考慮橫搖和縱搖扭矩,那么把ABS和CCS二者結(jié)合起來(lái),同時(shí)考慮上述橫向波浪力和3個(gè)扭矩的聯(lián)合作用。與此同時(shí) ,還對(duì)在 《ABS(1999)》和 《CCS(2005)》下計(jì)算出的不同載荷值進(jìn)行比較,如表1所示。

?

從表1中可以看出,《ABS(1999)》的載荷計(jì)算值要小于 《CCS(2005)》給出的。綜上所述,為了保障該船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,本文采取更嚴(yán)格的 《ABS(1999)》給出的載荷計(jì)算公式和《CCS(2005)》給出的校核工況。鑒于橫向波浪力起主導(dǎo)作用,為了減少計(jì)算工作量,本船在扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核時(shí)選取45°/135°航向角進(jìn)行扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核,此時(shí)水平扭矩為最大值的0.8,總縱彎矩為最大值的0.6[2],這種取法不會(huì)對(duì)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度構(gòu)成低估,符合規(guī)范要求。

3 應(yīng)力結(jié)果表示與結(jié)果分析

本報(bào)告分析的主要目的是對(duì)整船進(jìn)行全船總強(qiáng)度和局部強(qiáng)度分析和校核。應(yīng)力結(jié)果即可顯示單元的XY方向的正應(yīng)力和切應(yīng)力,也可顯示等效應(yīng)力(Von-mises)σ[6],

通過(guò)Patran軟件對(duì)全船的有限元計(jì)算,得出包括總縱彎矩、總橫彎矩、水平扭矩以及組合工況幾張應(yīng)力云圖,對(duì)圖中幾處應(yīng)力較大的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果得出:

1)細(xì)長(zhǎng)的支柱體結(jié)構(gòu)。該船型的支柱體橫剖面形狀變化較大的區(qū)域,也是船舶受力最大的構(gòu)件。支柱體首尾狹窄,工藝要求高,而且尾部還要承受螺旋槳和舵葉的較大推力;同時(shí),支柱體的工作環(huán)境更為復(fù)雜,水和空氣2種介質(zhì)頻繁交替以及低溫、薄冰等外界因素的影響,支柱體殼板需要加厚板厚,是結(jié)構(gòu)需要加強(qiáng)的部件。

2)連接橋的圓弧處結(jié)構(gòu)。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看,該船的總縱強(qiáng)度相對(duì)比較富裕。而船舶處于橫浪航行狀態(tài)時(shí)所受到的側(cè)向力誘導(dǎo)的總橫彎矩,以及斜浪狀態(tài)時(shí)由于側(cè)向力沿軸向分布不均造成的水平扭矩對(duì)船體結(jié)構(gòu)影響很大,連接橋則是承受這些載荷的主要構(gòu)件,所以需要關(guān)注其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3)橫艙壁與主甲板縱桁相交處結(jié)構(gòu)。在主甲板下面距船中6050 mm左右兩邊對(duì)稱有2根總桁,主要承擔(dān)船體的縱向載荷;而與主甲板相連的7個(gè)橫艙壁則主要承擔(dān)橫向載荷。主甲板下主要由這兩類構(gòu)件保證其強(qiáng)度,當(dāng)計(jì)算到總縱彎矩和水平扭矩的組合工況時(shí),兩類構(gòu)件相交處就會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)大的應(yīng)力,需要進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

圖6 總橫彎矩,主船體應(yīng)力分布云圖Fig.6 Total cross bending moment stress contours of main hull

4)甲板艙室外圍壁。造成外圍壁應(yīng)力集中的有2種:一是出現(xiàn)在甲板室外圍壁的根部,靠近與主甲板焊接的地方。這是由于主船體的應(yīng)力通過(guò)外圍壁和主甲板之間的剛性連接傳遞形成的;二是出現(xiàn)在外圍壁的開(kāi)窗角處造成的應(yīng)力集中。

4 本文創(chuàng)新點(diǎn)

1)加載方案。通過(guò)對(duì)ABS《小水線面雙體船建造與入級(jí)指南(1999)》和CCS《小水線面雙體船指南(2005)》的比較,給出了一套完整而嚴(yán)格的載荷計(jì)算和校核工況的加載方案,最終采取的《ABS(1999)》給出的載荷計(jì)算公式和《CCS(2005)》給出的校核工況,最大程度地滿足規(guī)范要求。

2)船身結(jié)構(gòu)減重建議。通過(guò)應(yīng)力云圖分析出該類特殊船型應(yīng)力分布狀況,有針對(duì)性的通過(guò)局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的措施達(dá)到了許用應(yīng)力要求范圍,但也多處增加板厚,加大了船身重量。甲板室板單元的最大應(yīng)力點(diǎn)集中出現(xiàn)在外圍壁或者艙室壁,這是由于主船體的應(yīng)力通過(guò)甲板室外圍壁和主甲板之間的剛性連接傳遞上來(lái)而造成,針對(duì)此進(jìn)行了多處加厚艙室板厚(見(jiàn)3.1節(jié)修改方案第四點(diǎn))。若將外圍壁與主甲板的剛性連接打斷,二者之間以硬質(zhì)橡膠連接,再將外圍壁以鉚釘固定于橡膠之上,這樣就可以減小甲板室板材增厚所增加的重量。

[1]SIKORA J P,DINSENBACHER A L.SWATH structure:navy research and development application[J].Marine Technology,July 1990,27(4):211-220.

[2]林吉如,石理國(guó),尤國(guó)紅,錢家玉.小水線面雙體船波浪設(shè)計(jì)載荷估算方法[J].中國(guó)造船,2008,49(3):104-111.

[3]陳慶強(qiáng),朱勝昌,郭列,黃?；?用整船有限元模型分析方法計(jì)算艦船的總縱強(qiáng)度[J].船舶力學(xué),2004,8(1):79-85.

[4]尹群,尹真.小水線面雙體船船體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度初步研究[J].造船技術(shù),1997,5(207):22-24.

[5]戴仰山,沈進(jìn)威,宋競(jìng)正.船舶波浪載荷[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007.

[6]陳鐵云,陳伯真.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1980.

[7]SIKORA J P.Design algorithms for primary and secondary loads on SWATH ships[M].Naval Engineers Journal,1995.

[8]陳銳,謝偉.小水線面雙體船耐波性預(yù)報(bào)[J].中國(guó)艦船研究,2008,3(1):9-12.

[9]潘新安,蘇學(xué)成,李華.基于UG和PATRAN的有限元建模技術(shù)探討[J].煤礦機(jī)電,2007,(1):32-34.

[10]鄧愛(ài)民,馬駿.穿浪雙體船耐波性能預(yù)報(bào)方法研究[J].中國(guó)艦船研究,2006,1(1):77-80.

[11]馮國(guó)慶.船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2006.