雙體船型清污船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估

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(哈爾濱工程大學(xué) 多體船技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150001)

針對雙體船型清污船的特殊船型特點(diǎn)，運(yùn)用有限元分析方法，對船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，重點(diǎn)分析船體的橫向強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和總縱強(qiáng)度的要求[1-3]?？疾旖Y(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)載荷工況下的應(yīng)力和變形情況，從而確認(rèn)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)是否滿足在相應(yīng)海域運(yùn)營的強(qiáng)度要求[4-6]。

1 雙體船型清污船有限元模型

該船主尺度見表1。

表1 清污船主尺度

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有限元模型中采用板單元、梁單元等的適當(dāng)組合，將結(jié)構(gòu)離散為空間板、梁的組合結(jié)構(gòu)。其中，板單元主要用于模擬甲板、底板、圍壁等結(jié)構(gòu)；梁單元主要用于模擬縱骨、橫梁、垂直和水平扶強(qiáng)材及支柱等構(gòu)件，并考慮偏心的影響。

按結(jié)構(gòu)適時工況的受力變形及對稱性確定邊界條件，根據(jù)不同的工況設(shè)置邊界支點(diǎn)及約束條件，也可采用慣性釋放方法，結(jié)構(gòu)的有限元模型見圖1。

圖1 清污船有限元模型

2 載荷與工況

2.1 載荷

雙體船結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度評估需要考慮的載荷有重量載荷、靜水載荷、環(huán)境載荷。其中環(huán)境載荷包括總體橫向彎矩、總體縱向彎矩、中縱剖面垂向剪力、總體不同步縱搖、總體水平轉(zhuǎn)矩。重力載荷以慣性力的形式施加到結(jié)構(gòu)模型上，靜水載荷和環(huán)境載荷則以壓力和節(jié)點(diǎn)力的形式施加到結(jié)構(gòu)模型上。

在施加靜水載荷時，所有設(shè)計(jì)吃水以下的外表面均需施加壓力，其作用效果見圖2。

圖2 靜水載荷施加效果

雙體船在零航速時所承受的橫向波浪載荷通常為最大橫向載荷?？傮w橫向彎矩是以橫向?qū)﹂_力的形式施加到模型外表面上的，方向?yàn)橄騼?nèi)和向外兩種情況，向內(nèi)的效果見圖3，其值為

Fy=±9.81DFTLF△

(1)

式中：DF，T，LF——系數(shù)，

DF=3.24-0.55lg △，

T=1.754d/△1/3，

LF=0.75+0.35tanh(1.65ls/△1/3-6.0)。

圖3 總體橫向彎矩效果

總體縱向彎矩是通過將總體縱向中拱彎矩ML(+)和縱向中垂彎矩ML(-)施加到獨(dú)立點(diǎn)上，用MPC將其關(guān)聯(lián)到模型上的，效果見圖4，其值為

ML(+)=MW+MSW

(2)

ML(-)=MW-MSW

(3)

式中：MW——縱向波浪彎矩，kN·m;

MW=0.082(CWP/0.75)2.5ls2.5Bs;

Msw——縱向靜水彎矩，kN·m。

圖4 總體縱向彎矩效果

船體連接橋結(jié)構(gòu)在縱中剖面和與之平行的中剖面處存在垂向剪力Q。該剪力以壓力的形式加載到模型上，其中在縱中剖面和縱艙壁根部縱剖面處分別取值Q1、Q2，兩端之間沿船寬呈梯形分布，效果見圖5。其值為

圖5 中縱剖面垂向剪力效果

(4)

Q2=0.25Fy+1.35(△/4)

(5)

雙體船兩個片體之間的不同步縱搖運(yùn)動產(chǎn)生的對水平橫向軸的縱搖轉(zhuǎn)矩Mp，其值取下列兩式計(jì)算所得之大者，效果見圖6，其中Mp可用均布線載荷p等效。

Mp1=0.125△acgllh

(6)

Mp2=0. 25△acgb

(7)

式中：acg——船舶重心處垂向加速度；m/s2，根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果或CCS認(rèn)可的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，且不應(yīng)小于0.35 g。

圖6 總體不同步縱搖效果

當(dāng)雙體船遭受斜浪致使橫向?qū)﹂_力Fy沿船長方向產(chǎn)生不均勻的分布狀況，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩[5-6]，在浪向角為90°(橫浪)和45°/135°(斜浪)的情況下，F(xiàn)y沿船長呈梯形和三角形分布，分布力兩端W11和W12的取值分別按公式(8)和(9)計(jì)算。

W11=1.12Fy/lsW12=0.88Fy/ls

(8)

W11=1.20Fy/lsW12=0

(9)

2.2 工況

雙體船結(jié)構(gòu)總體分析的載荷計(jì)算工況應(yīng)按上述原則進(jìn)行組合，對雙體船的橫向強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、縱向強(qiáng)度以及中縱剖面處的剪切強(qiáng)度進(jìn)行校核。表2給出了全船總體結(jié)構(gòu)有限元直接計(jì)算的橫向強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的部分設(shè)計(jì)載荷計(jì)算工況。

3 屈服強(qiáng)度結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的校核標(biāo)準(zhǔn)參照中國船級社《小水線面雙體船指南》(2005)，采用板單元建模的結(jié)構(gòu)構(gòu)件許用應(yīng)力為0.85σsw，采用桿、梁單元建模的結(jié)構(gòu)構(gòu)件許用應(yīng)力為0.60σsw，許用剪切應(yīng)力取為0.36σsw。目標(biāo)雙體船均采用材料屈服極限σsw為235 MPa的普通鋼，應(yīng)力百分比為應(yīng)力值/許用應(yīng)力值。限于篇幅關(guān)系，本文給出了橫向強(qiáng)度校核、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核和縱向強(qiáng)度校核中最危險(xiǎn)的工況的分析結(jié)果。

3.1 橫向強(qiáng)度校核

以浪向角90°時，工況號為1的橫向強(qiáng)度校核工況為例。此工況是橫浪工況當(dāng)中最為危險(xiǎn)的工況，結(jié)果見圖7和圖8，各位置局部屈服應(yīng)力評估見表3。

表2 設(shè)計(jì)載荷計(jì)算工況

注：①表中之值為各載荷分量在同一工況號中的組合分配系數(shù)，符號√表示需考慮的工況，符號/表示不考慮的工況；②各載荷除在上述要求中定義的加載方式外，一般情況下應(yīng)化為等效分布載荷施于模型上。

圖7 LC1全船Van Mises應(yīng)力云圖

圖8 LC1貨艙端部連接橋Van Mises應(yīng)力云圖

部位應(yīng)力種類應(yīng)力值/MPa應(yīng)力百分比/%甲板相當(dāng)應(yīng)力89.61044.86剪應(yīng)力-38.17145.12片體底板相當(dāng)應(yīng)力49.32324.69剪應(yīng)力25.46730.10片體內(nèi)側(cè)板相當(dāng)應(yīng)力186.61093.42剪應(yīng)力45.87054.22貨艙底板相當(dāng)應(yīng)力167.18983.70剪應(yīng)力58.48069.13

由表3容易看出整船體應(yīng)力未超出許用應(yīng)力，且在連接橋處應(yīng)力較大，片體內(nèi)舷側(cè)板的應(yīng)力值已經(jīng)達(dá)到許用應(yīng)力值的93.42%，因此在橫向強(qiáng)度上應(yīng)給予足夠重視。

3.2 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核

以浪向角45°時，工況號為6的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核工況為例。此工況是斜浪工況當(dāng)中最為危險(xiǎn)的工況。結(jié)果見圖9和圖10，各位置局部屈服應(yīng)力評估見表4。

圖9 LC6全船van Mises應(yīng)力云圖

圖10 LC6貨艙端部連接橋van Mises應(yīng)力云圖

部位應(yīng)力種類應(yīng)力值/MPa應(yīng)力百分比/%甲板相當(dāng)應(yīng)力15.5017.76剪應(yīng)力-7.1578.46片體底板相當(dāng)應(yīng)力9.7484.88剪應(yīng)力5.5076.51片體內(nèi)側(cè)板相當(dāng)應(yīng)力30.42215.23剪應(yīng)力-8.1729.66貨艙底板相當(dāng)應(yīng)力26.82613.43剪應(yīng)力7.5128.88

由表4容易看出整船體應(yīng)力未超出許用值，并且整船體應(yīng)力值較低，從數(shù)據(jù)可以看出，片體內(nèi)舷側(cè)板最高應(yīng)力值為許用應(yīng)力值的15.23%，因此在斜浪工況下的船體有很強(qiáng)的強(qiáng)度儲備。

3.3 縱向強(qiáng)度校核

以浪向角0°時，工況號為10的縱向強(qiáng)度校核工況為例。結(jié)果見圖11和圖12，各位置局部屈服應(yīng)力評估見表5。

圖11 LC10片體底部van Mises應(yīng)力云圖

圖12 LC10全船van Mises應(yīng)力云圖

此工況為迎浪中拱工況，需建立端部約束，利用MPC將獨(dú)立點(diǎn)和非獨(dú)立點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來，并通過前面計(jì)算得到的總縱彎矩施加到獨(dú)立點(diǎn)上，從而對縱向強(qiáng)度進(jìn)行了校核。從數(shù)據(jù)可以看出，甲板的最高應(yīng)力值為許用應(yīng)力值的2.30%，因此在迎浪工況下的船體有足夠的強(qiáng)度儲備。

4 結(jié)論

1)迎浪工況對雙體船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響最小，說明雙體船的兩個片體具有足夠的縱向強(qiáng)度儲備。

表5 LC10各位置局部屈服應(yīng)力評估

2)對比橫向強(qiáng)度校核結(jié)果和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，橫向強(qiáng)度對雙體船船體強(qiáng)度的影響較大，原因是由于兩個片體之間存在連接橋結(jié)構(gòu)，此部分是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

3)從表3、4可以看出，大部分構(gòu)件的剪應(yīng)力占許用剪應(yīng)力的比值要比相當(dāng)應(yīng)力占許用相當(dāng)應(yīng)力的比值小，但甲板和片體底板恰好相反，充分說明剪應(yīng)力是在強(qiáng)度評估時必須考慮的重要因素。

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