不同材料上層建筑的超級游艇在波浪中結(jié)構(gòu)強度分析*

張水林　裴志勇　蔡　薇　吳衛(wèi)國

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院　武漢　430063)

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不同材料上層建筑的超級游艇在波浪中結(jié)構(gòu)強度分析*

張水林裴志勇蔡薇吳衛(wèi)國

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院武漢430063)

摘要：采用基于勢流理論的三維特異點分布法計算指定海況下超級游艇的運動和作用于船體表面的水壓力，將得到的外載荷等效轉(zhuǎn)換到結(jié)構(gòu)模型上，采用有限元程序分析超級游艇的上層建筑分別采用鋁合金和普通鋼時波浪中的響應(yīng)特性.計算結(jié)果表明,超級游艇的上層建筑對主船體的剖面應(yīng)力分布有較大的影響，并且不同材料上層建筑影響的程度不同；設(shè)置多層甲板會改變剖面應(yīng)力分布；不同材料上層建筑的超級游艇在相同的外載荷作用下引起的船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形不同.

關(guān)鍵詞：超級游艇；上層建筑；結(jié)構(gòu)強度；剖面應(yīng)力分布

張水林(1990- )：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域為船體結(jié)構(gòu)強度

*工信部高技術(shù)船舶科研項目資助(批準號：工信部聯(lián)裝[2010]337號)

0引言

超級游艇十分重視安全性和舒適性，而在波浪中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)是決定超級游艇的安全性和舒適性的一個重要因素.目前，針對游艇在外載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，國內(nèi)外已開展諸多研究[1-4].游艇結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究主要是針對小型游艇，較少涉及超級游艇.此外，當前的研究主要是基于船級社的規(guī)范和相關(guān)組織的規(guī)定，未充分考慮具體船型特點.由于超級游艇尺度較大，作用于船體的波浪載荷十分依賴于船體外形.因此，為將超級游艇船型特點考慮在內(nèi)，以全面真實地模擬超級游艇在其工作環(huán)境中的結(jié)構(gòu)強度，亟須對超級游艇在波浪中的結(jié)構(gòu)強度展開深入研究.

為降低船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，超級游艇廣泛采用鋁合金，并且采用鋁合金制造的船舶的營運費用和維護費用相比同類型鋼質(zhì)船舶低[5].超級游艇的上層建筑采用鋁合金，一方面可以降低船舶質(zhì)量，提高超級游艇的快速性；另一方面也可以降低其重心高度，提高船舶穩(wěn)性.主船體為普通鋼的超級游艇，由于2種材料物理性質(zhì)的差異，導(dǎo)致其在波浪的結(jié)構(gòu)強度不同于全鋼船舶.因此，需要對其在波浪中的結(jié)構(gòu)強度展開研究，并與相同尺度的全鋼超級游艇的結(jié)構(gòu)強度進行比較，以探究上層建筑采用鋁合金對船體結(jié)構(gòu)在波浪中結(jié)構(gòu)強度的影響.

本文將載荷/運動計算和結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析結(jié)合起來，采用基于勢流理論的三維特異分布點法[6-7]計算指定海況條件下作用于超級游艇的載荷和相應(yīng)的船體運動，將得到的外載荷施加到整船結(jié)構(gòu)模型上，采用結(jié)構(gòu)有限元程序分析相應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng).在此基礎(chǔ)上，研究上層建筑分別采用不同材料的超級游艇在波浪中結(jié)構(gòu)強度的差異，主要比較了在相同外載荷作用下超級游艇典型剖面應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形水平等方面的異同，并分析了產(chǎn)生這些差異的原因.

1分析流程

為了比較不同材料上層建筑的超級游艇在波浪中的結(jié)構(gòu)強度，整個分析流程由以下6個步驟組成.

1) 建立用于結(jié)構(gòu)分析的全船有限元模型.

2) 模擬指定裝載狀況下的質(zhì)量分布，包括船體鋼料質(zhì)量、舾裝質(zhì)量、壓載水質(zhì)量等.

3) 在指定海況和載況下進行載荷/運動計算，得到作用于船體的隨時間而變的外壓力和船體的運動加速度.

4) 將載荷/運動計算得到的作用于船體表面的外壓力以及由于船體運動產(chǎn)生的慣性力轉(zhuǎn)化為等效節(jié)點力.

5) 將等效節(jié)點力施加到結(jié)構(gòu)計算模型上，進行結(jié)構(gòu)計算分析.

6) 改變上層建筑材料，采用4)得到的等效外載荷進行結(jié)構(gòu)分析.

為了比較相同結(jié)構(gòu)形式下，超級游艇的上層建筑分別采用鋼和鋁時結(jié)構(gòu)強度的異同，假定2種情況下作用于船體的外載荷相同.當然，實際由于材料的不同會引起作用于船體的載荷有所不同，文中暫未考慮.

2計算實例

2.1模型概況

本文研究的對象是一艘總長為64.6 m的超級游艇，其主尺度要素見表1.該超級游艇的上層建筑采用鋁合金，主船體結(jié)構(gòu)采用普通鋼.

表1　超級游艇的主尺度　m

載荷/運動計算和結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析階段使用相同的模型有利于避免因計算模型的差異而引起的不平衡載荷而影響結(jié)構(gòu)分析的準確性.整船彈性有限元分析模型及邊界條件見圖1.計算模型中船體外板、甲板和艙壁板等板件采用板殼單元模擬，縱桁、肋骨等骨材采用彈性梁單元模擬，整個模型共有21 189個節(jié)點，22 761個板殼單元，23 044個彈性梁單元.

圖1　全船有限元計算模型和邊界條件

2.2載荷/運動計算

超級游艇的船體通常為細長體結(jié)構(gòu)，在迎浪時船體所受的垂向彎矩是最基本的載荷.因此選取迎浪狀態(tài)對船體結(jié)構(gòu)強度進行分析.波浪取規(guī)則正弦波，波長取艇長，波高的選取主要是考慮游艇在營運過程中常見的波浪大小結(jié)合結(jié)構(gòu)強度分析需要而設(shè)置.滿載狀況下波浪參數(shù)見表2.

表2　滿載狀況下波浪參數(shù)

由于波浪和船體的運動，不同時刻作用于船體的壓力分布是隨時間變化的.本文選取大于一個波浪周期的時間段，并將其均分為20個時刻，將每一時刻作用于船體的外力積分即可得到各個時刻作用于船體的垂向彎矩，不同時刻作用于船體的垂向彎矩沿船長的分布見圖2.在t1時刻，波峰位于船中，作用于船體的彎矩為中拱彎矩.隨著波浪和船體的運動，波峰逐漸向船首移動，作用于船體的彎矩從中拱逐漸變?yōu)橹写?在t6時刻至t7時刻之間波谷移至船中，此時作用于船體的中垂彎矩達到最大值.然后波峰向船中移動，作用于船體的彎矩逐漸從中垂變?yōu)橹泄?，在t16時刻波峰移動至船中，作用于船體的中拱彎矩達到最大.

圖2　各時刻垂向彎矩分布

2.3結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算結(jié)果

將各個不同時刻作用于船體表面的外壓力和慣性力等效轉(zhuǎn)換到結(jié)構(gòu)模型上，采用通用商業(yè)有限元程序進行線性結(jié)構(gòu)強度分析.先對上層建筑為鋁合金的鋼鋁混合模型進行結(jié)構(gòu)強度分析，然后分析上層建筑采用普通鋼的全鋼模型在相同外載荷作用下的結(jié)構(gòu)強度，分別得到典型剖面應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形的計算結(jié)果.

2.3.1典型剖面應(yīng)力分布

為了提供更寬敞的內(nèi)部空間，以滿足布置、居住、飲食和娛樂等要求，超級游艇往往會設(shè)置多層甲板.由于設(shè)置了多層甲板，各層甲板的局部作用會對剖面的應(yīng)力分布特性產(chǎn)生影響.為了研究典型剖面應(yīng)力分布特性，選取作用于船體的中拱彎矩最大的時刻(t16時刻)作為典型時刻，取靠近船中的某一剖面.該剖面在t16時刻的舷外水壓力分布見圖3，圖中箭頭方向表示壓力的方向，與船體外表面垂直；箭頭長短表示作用于艇體表面的壓力幅值. 舷外水壓力作用于下甲板以下的船體外殼，隨著型深高度的增加逐漸減小.

圖3　t16時刻橫剖面外壓力分布

采用有限元分析得到該剖面上各點的縱向應(yīng)力，以各點的縱向應(yīng)力值為橫坐標，各點的垂向位置為縱坐標，分別繪出鋼鋁混合模型和全鋼模型中該剖面上各點在有無上層建筑的縱向應(yīng)力沿型深方向的分布，見圖4.

圖4　典型橫剖面縱向應(yīng)力沿型深分布

由圖4可見，由于所遭受的外載荷和船體結(jié)構(gòu)都相同，鋼鋁混合模型和全鋼模型剖面應(yīng)力分布非常吻合.船底至舭部區(qū)域應(yīng)力分布波動較為劇烈，舭部至下層甲板，以及下甲板至主甲板之間的船體結(jié)構(gòu)的縱向應(yīng)力與垂向位置之間均呈線性變化，在各層甲板上的縱向應(yīng)力與其橫向位置相關(guān).

由圖4可見，船底至舭部剖面應(yīng)力分布仍存在波動，但波動程度較圖4a)和緩；舭部至下甲板，以及各層甲板之間的船體結(jié)構(gòu)的縱向應(yīng)力與垂向位置之間均近似呈線性變化，在各層甲板上的縱向應(yīng)力與橫向位置相關(guān).由于上層建筑的影響，圖4b)中主船體以下剖面應(yīng)力分布不同于圖4a)，并且，由于上層建筑材料的不同，導(dǎo)致2個模型中典型剖面的縱向應(yīng)力分布有所不同，主要表現(xiàn)在船底部應(yīng)力值、應(yīng)力分布曲線的斜率以及各層甲板處應(yīng)力的變化范圍等方面.

2.3.2結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形

由于普通鋼與鋁合金的物理性質(zhì)不同，因而上層建筑分別采用普通鋼和鋁合金時，其參與抵抗外載荷的程度不一.相比而言，采用普通鋼時的船體結(jié)構(gòu)的剛度大于采用鋁合金，因此在相同的波浪載荷作用下，其船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平和變形程度有所不同.選取作用于船體垂向彎矩最大的時刻(t16時刻)作為一種典型狀態(tài)，從上層建筑的應(yīng)力分布和變形、主船體的應(yīng)力分布和變形這4個方面，比較在相同外載荷作用下超級游艇上層建筑分別采用鋁合金和普通鋼時不同的結(jié)構(gòu)強度.

上層建筑分別采用鋁合金和普通鋼時，上層建筑的Mises應(yīng)力分布見圖5.其中鋼鋁混合模型的最大應(yīng)力為29.7 MPa，全鋼模型的最大應(yīng)力為54.8 MPa.變形見圖6.其中鋼鋁混合模型的最大變形值為10.3 mm，全鋼模型的最大變形值為5.06 mm.

圖5　上層建筑應(yīng)力分布

圖6　上層建筑變形

上層建筑分別采用鋁合金和普通鋼時，主船體Mises應(yīng)力分布見圖7.其中鋼鋁混合模型的最大應(yīng)力為56.2 MPa，全鋼模型的最大應(yīng)力為57.7 MPa；變形見圖8.其中鋼鋁混合模型的最大變形值為10.9 mm，全鋼模型的最大變形值為9.29 mm.

圖7　主船體應(yīng)力分布

圖8　主船體變形

3計算結(jié)果分析比較

3.1剖面應(yīng)力分布分析比較

未設(shè)置多層甲板的船體剖面的縱向應(yīng)力沿斷面呈線性分布，即不同位置處的應(yīng)力與其距中和軸的位置成正比.在中拱彎矩最大的時刻(t16時刻)，設(shè)置多層甲板的超級游艇的典型剖面應(yīng)力分布見圖4.

沒有上層建筑的主船體在相同外載荷作用時，從其剖面應(yīng)力分布(圖4a))中可以看出其分布特性.從船底至舭部區(qū)域：船體由于受中拱彎矩的作用，使得船底構(gòu)件受壓.船體外板上各點的總縱彎曲應(yīng)力隨型深的增加逐漸增大，并按線性變化.而由圖3知此區(qū)域的船體外板所受到的舷外水壓力較大，使這部分船體構(gòu)件產(chǎn)生橫向彎曲，船體外板中產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力.總縱彎曲應(yīng)力與局部應(yīng)力疊加得到船體構(gòu)件的縱向應(yīng)力.由于局部應(yīng)力的影響使得縱向應(yīng)力不是嚴格的線性分布，部分觀測點波動較為劇烈.

舭部到主甲板之間的船體外板在中拱彎矩作用下產(chǎn)生的總縱彎曲應(yīng)力隨型深的增加線性增加；舷外水壓力隨著型深增加急劇減小，船體外板產(chǎn)生的局部應(yīng)力迅速減小；而總縱彎曲應(yīng)力和局部應(yīng)力疊加得到的縱向應(yīng)力線性增加.因此，船體外板的縱向應(yīng)力主要由總縱彎曲應(yīng)力組成，局部作用力的影響較小.所以，在沒有上層建筑的主船體剖面應(yīng)力分布(圖4a))中此區(qū)域船體外板的縱向應(yīng)力分布表現(xiàn)出良好的線性.由于甲板上各處局部變形不同導(dǎo)致各點的局部應(yīng)力不同，致使下甲板和主甲板上各點的縱向應(yīng)力依賴其橫向位置.

從包括上層建筑的剖面應(yīng)力分布(圖4b))中可以看出有無上層建筑以及不同上層建筑時其剖面應(yīng)力分布的特性和差異.從船底至舭部區(qū)域，是鋼鋁混合模型與全鋼模型其應(yīng)力分布都存在波動，但較沒有上層建筑的應(yīng)力分布的波動程度小. 鋼鋁模型此區(qū)域船體構(gòu)件的縱向應(yīng)力變化范圍較全鋼模型大.原因在于上層建筑承擔(dān)了一部分載荷，并且采用普通鋼的上層建筑承擔(dān)的載荷更多，因而主船體承擔(dān)的載荷更小.

舭部至下甲板區(qū)域船體外板的縱向應(yīng)力分布呈現(xiàn)出近似線性，個別觀測點存在偏離.鋼鋁混合模型與全鋼模型的縱向應(yīng)力分布的斜率不同，全鋼模型的分布斜率稍大.在下甲板處上的各點的縱向應(yīng)力也與其橫向位置有關(guān)，但全鋼模型的縱向應(yīng)力變化范圍小于鋼鋁混合模型.因為此時舷外水壓較小，引起的局部作用力較小，船體外板的縱向應(yīng)力以彎曲應(yīng)力為主.

下甲板至主甲板間船體外板的縱向應(yīng)力主要是總縱彎曲應(yīng)力，鋼鋁混合模型與全鋼模型的縱向應(yīng)力分布均表現(xiàn)出良好的線性，兩者的分布斜率較為接近.但是2個模型在此區(qū)域的船體外板的縱向應(yīng)力之間相差較大，并且主甲板上鋼鋁混合模型的縱向應(yīng)力變化范圍較大.原因是由于鋼鋁混合模型主船體承擔(dān)的外載荷較大，因而其在船體外板中引起的總縱彎曲應(yīng)力較大.

主甲板至陽光甲板間船體外板的縱向應(yīng)力近似按線性分布，鋼鋁混合模型的縱向應(yīng)力分布斜率大于全鋼模型，但縱向應(yīng)力變化范圍小于全鋼模型.原因是上層建筑采用普通鋼時其剛度較大，承擔(dān)的載荷較大.因而在駕駛甲板和陽光甲板上，全鋼模型的縱向應(yīng)力變化范圍較鋼鋁模型大.

全鋼模型和鋼鋁混合模型的陽光甲板至羅經(jīng)甲板，以及羅經(jīng)甲板上各構(gòu)件的縱向應(yīng)力分布較接近，甲板間也呈現(xiàn)出近似線性，但是在羅經(jīng)甲板上為壓應(yīng)力.原因在從陽光甲板至羅經(jīng)甲板之間的上層建筑結(jié)構(gòu)較為密集，結(jié)構(gòu)較強，因而鋼鋁混合模型和全鋼模型的縱向應(yīng)力水平較低且相差不大.并且由于羅經(jīng)甲板與陽光甲板之間的上層建筑長度較小，羅經(jīng)甲板與陽光甲板及之下的船體之間的相互作用致使羅經(jīng)甲板出現(xiàn)反向彎曲，在甲板處出現(xiàn)壓應(yīng)力.

3.2結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形分析比較

由圖5可見，全鋼模型中無論是單元最大應(yīng)力還是整體應(yīng)力水平都較鋼鋁混合模型大.原因是全鋼上層建筑的剛度較鋁合金上層建筑大，因而其承擔(dān)了更多的載荷，使得其整體應(yīng)力水平都高于鋼鋁混合模型.由圖7可見，雖然鋼鋁混合模型的最大應(yīng)力值比全鋼模型的最大應(yīng)力值稍小，但是由于鋼鋁混合模型中上層建筑承擔(dān)的載荷較全鋼模型小，因此全鋼模型的主船體整體應(yīng)力分布優(yōu)于鋼鋁混合模型.

由圖6可見，雖然鋼鋁混合模型的上層建筑承擔(dān)的載荷較全鋼模型小，其整體應(yīng)力水平小于全鋼模型上層建筑相應(yīng)應(yīng)力的一半，但是由于鋁合金的彈性模量約為普通鋼的1/3，因此，鋼鋁混合模型的最大變形值和整體變形水平都較全鋼模型大.由圖8可見，鋼鋁混合模型的最大變形值和整體變形均較全鋼模型大.主要原因是全鋼模型的上層建筑承擔(dān)的外載荷較鋼鋁混合模型大，在相同外載荷作用下鋼鋁混合模型的主船體遭受的載荷更大，因而變形更大.

4結(jié) 束 語

超級游艇的上層建筑對主船體的結(jié)構(gòu)響應(yīng)有較大的影響，并且不同材料上層建筑的影響程度不同. 超級游艇設(shè)置的多層甲板產(chǎn)生了較強的局部作用力，導(dǎo)致其斷面應(yīng)力分布特性不同于未設(shè)置多層甲板的常規(guī)船舶.甲板之間的船體外板的縱向應(yīng)力基本上都是近似線性分布，符合船體梁理論.不同甲板間的船體外板由于局部作用力、材料不同和所處位置的綜合影響，導(dǎo)致其線性分布的斜率不同.并且，在各層甲板上由于局部作用力的影響，致使同一甲板上的點的縱向應(yīng)力依賴于其橫向位置.由于普通鋼和鋁合金的物理屬性不同，導(dǎo)致超級游艇的主船體和上層建筑承擔(dān)的載荷不同，因此，鋼鋁混合模型與全鋼模型的典型剖面縱向應(yīng)力分布也存在應(yīng)力幅值和變化范圍不同以及分布斜率的差異.

當上層建筑分別采用鋁合金和普通鋼時，由于兩者的物理性質(zhì)不同導(dǎo)致上層建筑抵抗外載荷的水平不同，其中全鋼模型的上層建筑擔(dān)更大的載荷.因此，全鋼模型的主船體和上層建筑的最大變形值和變形狀況都較鋼鋁混合模型小；應(yīng)力最大值都較鋼鋁混合模型大.

參 考 文 獻

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Structural Strength Analysis of Super Yacht in the Waves

with Different Materials Applied in the Superstructure

ZHANG ShuilinPEI ZhiyongCAI WeiWU Weiguo

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Abstract：The three dimensional singularity distribution method based on potential flow theory is adopted to calculate the motion of the super yacht and the corresponding external water pressure firstly under specified sea condition. Then, obtained loads are transformed to the whole structural model and structural strength analysis of the super yacht in waves is performed by FEM software with aluminum alloy and ordinary carbon steel used in the superstructures respectively. According to the results, the superstructure of super yacht has a great influence on the characteristics of stress distribution of a typical cross-section, and different superstructures have different effect. Besides, the multi-decks of super yacht will change the stress distribution. Furthermore, stress and deformation of super yacht’s structure are not the same when aluminum alloy and steel are taken for the superstructure respectively.

Key words：super yacht; superstructure; structural response; cross-section stress distribution

收稿日期：2015-11-18

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.035

中圖法分類號：U663.2