小型玻璃鋼開敞艇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

黃燕玲，郭強(qiáng)波，廖 文，彭開洲

(1.武漢市船舶檢驗(yàn)所，武漢430000;2.廣州文沖船廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)部，廣州510725)

20世紀(jì)60年代中期，玻璃纖維增強(qiáng)塑料開始在游艇上應(yīng)用，由于在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上取得了重大的突破，因而被廣泛用于制作游艇艇體［1-2］。目前國外的玻璃鋼船長度已經(jīng)達(dá)到70 m以上，而我國現(xiàn)階段只能制造長40 m以下的玻璃鋼船。不但在尺度上落后于國外，即使同尺度玻璃鋼船，其結(jié)構(gòu)形式也跟國外先進(jìn)技術(shù)存在差距［3］。受限制的不是玻璃鋼材料本身的性能，而是缺乏這方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)計(jì)算方法。

1 玻璃鋼船的結(jié)構(gòu)特性

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、不銹蝕、建造工藝性好、使用周期成本低等優(yōu)點(diǎn)，在船舶工業(yè)中取得越來越廣泛的應(yīng)用。與同尺度、等截面的鋼質(zhì)船相比，玻璃鋼船的剛度只是鋼質(zhì)船的1/15～1/20。

玻璃鋼材料因其彈性模量低而容易產(chǎn)生扭曲和彎曲變形，因此，玻璃鋼船的骨材就需要采用特定的截面形式來抵抗彎扭變形。通常情況下，玻璃鋼船的骨架梁材會采用梯形帽形截面，截面表面鋪設(shè)玻璃纖維，中間空心部分填充芯材。

舷側(cè)、甲板和艙壁等與底部不同之處在于其獨(dú)特的夾層結(jié)構(gòu)，即在鋪層結(jié)構(gòu)的中間鋪設(shè)一層泡沫芯材。盡管芯材的力學(xué)性能比較低，但結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度主要由芯材承受，面板僅起部分作用。

2 玻璃鋼游艇的有限元模型

根據(jù)實(shí)船結(jié)構(gòu)形式、受力、精度要求等［4］，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)和有限元知識對實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，選用合適的模擬單元得出有限元模型。

2.1 屬性定義與網(wǎng)格劃分

幾何模型僅是描述空間形狀及結(jié)構(gòu)定位，只有對各種板材、骨材結(jié)構(gòu)的材料屬性進(jìn)行賦值并劃分網(wǎng)格后才能進(jìn)行有限元分析。鐵和鋼等各向同性材料相比，復(fù)合材料有限元網(wǎng)格劃分顯得非常復(fù)雜。玻璃鋼游艇中的鋪層塑料增強(qiáng)纖維材料屬于正交異性材料，每層材料屬性進(jìn)行設(shè)置時(shí)需要輸入2個(gè)主方向的彈性模量、剪切模量和泊松比［5］，具體參數(shù)見表1。

表1 玻璃鋼材料模型常數(shù)

玻璃鋼游艇的骨架梁材劃分網(wǎng)格時(shí)，并沒有像普通鋼質(zhì)船那樣使用梁單元，其原因是玻璃鋼船的骨材也是用玻璃纖維進(jìn)行多層鋪設(shè)而成，并帶有芯材。而普通的梁單元并不能準(zhǔn)確地表達(dá)層合結(jié)構(gòu)形式，因此選用板單元來替代梁單元［6］。板的鋪層方向?yàn)椋?/45/-45/0/90/0］，每層板厚度是通過層合板厚度均分來處理的。

本文艇體總長為5.2 m，型寬為1.80 m，型深0.78 m，吃水0.35 m。艇體結(jié)構(gòu)尺寸見表2。

劃分的單元網(wǎng)格長度為100 mm，共2 429個(gè)shell單元。由于復(fù)合材料是各向異性的，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)的方向有變化時(shí)，使用局部坐標(biāo)，使材料的性能與結(jié)構(gòu)的方向保持一致。

表2 艇體構(gòu)件尺寸 mm

2.2 層合結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)的模擬

層合結(jié)構(gòu)見圖1，各單層板采用玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，Y向?yàn)槔w維軸向方向，Z向?yàn)榇怪庇诶w維軸線的方向(即疊層方向)。

圖1 層合結(jié)構(gòu)

根據(jù)玻璃纖維的性能特點(diǎn)，各單向板是正交各向異性板，patran中定義單向板的材料屬性為Orthotropic。通過單元實(shí)常數(shù)來定義材料屬性、層的定向角和層的厚度。

夾層結(jié)構(gòu)(“三明治結(jié)構(gòu)”)見圖2，有兩個(gè)薄的面板和一個(gè)較厚但相對較軟的夾心層，它允許夾層結(jié)構(gòu)中面板和夾心層有不同的材料屬性。在玻璃鋼游艇中，夾心層一般為泡沫，根據(jù)泡沫的特性，可將其視為各向同性體。夾層結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)的定義與普通層合結(jié)構(gòu)相同。

圖2 夾層結(jié)構(gòu)

3 約束與載荷

3.1 全船有限元邊界

船體是一個(gè)漂浮體，處于平衡力系之下，但沒有對剛體運(yùn)動的約束。而有限元分析要求結(jié)構(gòu)的剛體被支座所限制，以便計(jì)算結(jié)構(gòu)的相對變形。為此必須給浮動船體加上適當(dāng)?shù)募s束，令船體不能做剛體運(yùn)動，同時(shí)也不能限制船舶變形，不能影響全船結(jié)構(gòu)的受力。

由于整船結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)空間梁系，空間梁有6個(gè)自由度，即3個(gè)位移和3個(gè)轉(zhuǎn)角，分別為μx、μy、μz、Rotx、Roty和Rotz。本文根據(jù)文獻(xiàn)［6］在前后艙壁處施加約束。

1)當(dāng)整船在前后艙壁為自由支持時(shí)。

在前艙壁處:μx=μy=μz=0，

Rotx=Rotz=0。

在后艙壁處:μy=μz=0，

Rotx=Rotz=0。

2)當(dāng)整船在前后艙壁處為剛性固定時(shí)。

在前艙壁處:μx=μy=μz=0，

Rotx=Roty=Rotz=0。

在后艙壁處:μy=μz=0，

Rotx=Roty=Rotz=0。

3.2 艇體載荷

滿載狀態(tài)最大航速航行時(shí)作用在艇體上的載荷主要有:①船底波浪沖擊壓力，舷側(cè)水壓和甲板載荷;②艇體重力和浮力。

根據(jù)《內(nèi)河高速船規(guī)范》，船底波浪沖擊壓力psl1可按式(1)計(jì)算得到。

式中:kl——縱向壓力分布系數(shù)，取kl=1;

A——受力點(diǎn)計(jì)算面積，m2;

△——排水量，△=1.299 t;

αcg=1.0 g;

βx——計(jì)算處橫剖面的底斜升角，取βx=30°;

βcg——船體重心處橫剖面的底斜升角，取βcg=30°。

dw——波浪中航行時(shí)的沖擊吃水，dw=Cd，

d——滿載靜浮態(tài)吃水，取d=0.35m;

C——系數(shù)，對于排水型單體船取C=1.0;

舷側(cè)壓力ps按式(2)計(jì)算。

式中:h——壓力計(jì)算點(diǎn)到甲板的垂直距離，m;psl1——該處底部的波浪沖擊壓力，kPa。甲板載荷為滿載時(shí)乘客及物品載荷。

4 計(jì)算結(jié)果分析

通過對520敞口玻璃鋼游艇整體結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算分析，對比兩種約束情況艇體受力和變形，見表3。

計(jì)算結(jié)果表明，兩種約束情況下，艇體的最大變形都發(fā)生舷側(cè)艇體中部大開口邊緣上，該處正是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最弱的地方。自由支持約束的最大變形為24.4 mm，剛性約束的最大變形為19.6 mm，最大變形小于艇體長度的1/200，滿足規(guī)范要求。最大應(yīng)力發(fā)生在船中底部折角線處，說明該處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，兩種約束下得應(yīng)力分別為22.7 MPa和20.1 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。艇體的應(yīng)力和變形見圖3和圖4。

表3 變形應(yīng)力表

圖3 兩種約束下艇體應(yīng)力圖(MPa)

對比兩種約束情況下，艇體的應(yīng)力和變形發(fā)現(xiàn)，約束狀況對變形的影響非常明顯，而對應(yīng)力的影響并不十分明顯。

5 結(jié)論

圖4 兩種約束下艇體變形圖(mm)

計(jì)算結(jié)果未進(jìn)行實(shí)船應(yīng)力測量比較，但做航行試驗(yàn)時(shí)觀察到局部變形情況與計(jì)算結(jié)果吻合，且該艇目前狀況良好，間接證明了計(jì)算結(jié)果的可靠性。①艇體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求;②最大應(yīng)力發(fā)生在船中底部折角線處;③最大變形發(fā)生在舷側(cè)大開口邊緣結(jié)構(gòu)薄弱處;④不同的約束狀況對艇體變形的影響明顯大于對應(yīng)力的影響。

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