高速三體船結(jié)構(gòu)設(shè)計

許蘊蕾

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計研究軍事代表室 上海 200011）

0 引 言

三體船是利用三個并排片體所制造的波浪干涉來實現(xiàn)減小興波阻力的高性能船型。鑒于三體船具有獨特的船體結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)載荷及強度特點與單體船和雙體船有所不同［1］。國內(nèi)在強度評估和結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的研究與國際上水動力方面的研究相比還有一定差距，為此，本文將對高速三體船的結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法進(jìn)行一些探索。

1 高速三體船結(jié)構(gòu)設(shè)計過程

1.1 高速三體船結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點是在充分發(fā)揮材料作用的情況下，使用最小的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時還要保證船體必須的穩(wěn)定性和強度。結(jié)構(gòu)設(shè)計通常是在已明確設(shè)計任務(wù)書且總圖和線型圖初步完成的前提下來決定結(jié)構(gòu)構(gòu)架形式、構(gòu)件尺寸和連接方法的。對于特種船，非正常布置的創(chuàng)新船舶可以采用有限元直接計算法計算。對于軍用艦艇，要求的設(shè)計水平高，結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制嚴(yán)格，對結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性更為突出?；谝陨蟽牲c考慮，三體船的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用直接計算法［2］。

經(jīng)過對已有船舶強度和疲勞評估方法的驗證，可以認(rèn)定將其用于三體船強度評估和疲勞評估具有可行性。設(shè)計過程為:通過有限元直接計算法，使用規(guī)范中的工況給全船模型施加載荷，計算相應(yīng)工況下全船的應(yīng)力分布，再以規(guī)范法校核關(guān)鍵部位的屈服、屈曲情況，評估疲勞壽命；再與規(guī)范中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改和優(yōu)化。為使全船應(yīng)力分布合理，避免局部區(qū)域應(yīng)力過于集中或最大應(yīng)力小于規(guī)范值，經(jīng)過“設(shè)計-校核-改進(jìn)”的循環(huán)反復(fù)，在保證結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求的前提下，力爭結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。

1.2 主體的典型剖面設(shè)計

在初步確定全船的結(jié)構(gòu)形式并經(jīng)過論證之后，采用有限元直接計算法設(shè)計主體典型剖面。具體思路是:首先，給定上甲板和外底板相當(dāng)厚度的初始值δ0和δ1，乘以一定的比例系數(shù)，得到其余縱向連續(xù)構(gòu)件的相當(dāng)厚度；然后，根據(jù)甲板的許用應(yīng)力計算剖面模數(shù)，得到δ0和δ1的值；再根據(jù)船底處合成應(yīng)力的許用應(yīng)力進(jìn)行船體縱向連續(xù)構(gòu)件的第二次設(shè)計計算，利用插值法得到最終的δ0和δ1以及中和軸高度；最后便求得典型剖面上其余構(gòu)件的相當(dāng)厚度。

扶強材的設(shè)計一方面要滿足規(guī)范中關(guān)于扶強材尺寸和間距的要求，另一方面要保證板在承受最大載荷時的穩(wěn)定性。從相當(dāng)厚度扣除對應(yīng)的扶強材厚度，便得到各部位的實際板厚。主體典型剖面的設(shè)計尺寸見圖1。

圖1 三體船典型剖面設(shè)計

1.3 主體和片體的型線連接

經(jīng)水動力性能分析和線型優(yōu)化，目前已成功獲得三體船水下部分的型值［3-4］。出于結(jié)構(gòu)考慮，采用連接橋結(jié)構(gòu)將主體和片體部分連接。對已有的三體船主體、片體型線（5.33 m水線以下部分），向上延伸至濕甲板高度（12.936 m）；初步擬定主甲板和濕甲板的間距為2 m；再根據(jù)規(guī)范中的典型剖面和對美國軍方建造的涉海戰(zhàn)斗艦LCS Trimaran［5］的典型剖面形式的解讀，初步擬定主體和片體的連接形式，并將主體和片體的型線連接，經(jīng)插值產(chǎn)生新的型值點。型線圖如圖2所示。

圖2 三體船型線

1.4 主體和片體的連接橋結(jié)構(gòu)

三體船主體和片體的連接是通過連接橋來實現(xiàn)的。對于三體船而言，橫向彎矩和縱向扭矩是重要載荷，因此，主體和片體的連接部位采用橫骨架形式，艙壁貫穿主體和片體，在兩道貫穿艙壁之間設(shè)置強框架，保證強度要求。連接處采用圓弧過渡舷臺結(jié)構(gòu)減少應(yīng)力集中，并在連接橋靠近主體的一側(cè)加入了箱型梁結(jié)構(gòu)。連接形式如圖3、圖4所示。

圖3 三體船主體、片體連接形式

圖4 三體船連接橋形式

1.5 總縱強度校核和連接橋強度規(guī)范的校核

三體船由一個主體和兩個對稱的片體組成，其主體較一般船舶更為狹長，長寬比在12～18之間。因此，三體船結(jié)構(gòu)設(shè)計是否可行，首先要看其總縱強度是否滿足要求。三體船所受的縱向載荷由波浪彎矩和靜水彎矩組成，在初步設(shè)計過程中，靜水彎矩取為波浪彎矩的一半。同時，不考慮兩側(cè)的片體及連接橋部分對縱向抗彎強度的貢獻(xiàn)。由于自身特殊的結(jié)構(gòu)特點，連接橋結(jié)構(gòu)是否能夠滿足強度要求也至關(guān)重要。

參照勞氏船級社三體船規(guī)范［6］，按照中拱和中垂兩種情況計算出總縱波浪彎矩，分離彎矩和橫向扭矩。在主尺度，艙壁數(shù)量，肋距等必要數(shù)據(jù)初步確定的情況下，對總縱強度進(jìn)和連接橋強度進(jìn)行了校核。在材料為普通鋼（δyd=235 N/m2）的情況下，甲板、雙層底處的應(yīng)力水平小于規(guī)范給出的許用值，連接橋部分在采用高強鋼（δyd=315 N/m2）以后，應(yīng)力水平滿足規(guī)范要求。

2 結(jié) 論

本文采用有限元直接計算法對高速三體船進(jìn)行了初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計，給出了一套比較完整的設(shè)計方案，經(jīng)規(guī)范校核，總縱強度和連接橋強度均滿足勞氏三體船規(guī)范中的相關(guān)強度要求。本文中的高速三體船結(jié)構(gòu)設(shè)計可為后續(xù)研究工作提供一定的依據(jù)。

［1］朱東華，劉見華.三體船結(jié)構(gòu)設(shè)計問題［J］.船舶，2010（2）:30-33.

［2］楊代盛.船體強度與結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1986.

［3］鄭律，叢剛，王耀輝.三體船側(cè)體位置優(yōu)化設(shè)計研究［J］.船舶，2012（4）:23-27，37.

［4］鄭律，陳林，邱忠輝，等.三體船主體尺度對其在波浪中動態(tài)響應(yīng)的研究［J］.船舶，2012（6）:8-12.

［5］AustalTrimaranTechnology［EB/OL］.［2013-05-04］.http://zh.scribd.com/doc/24675806/Austal-Trimaran-Technology-Jan-07.

［6］LR.Rules for the Classification of Trimarans［S］.2006.