基于Smith法的高速巡邏艇極限強(qiáng)度評(píng)估

陳亮亮+簡(jiǎn)開(kāi)勇+朱小楠+羅慧明+鄧建通

摘 要：針對(duì)高速巡邏艇的極限強(qiáng)度評(píng)估問(wèn)題，根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》（2011）的要求，給出了極限強(qiáng)度評(píng)估流程。以某新設(shè)計(jì)的高速巡邏艇為例，采用規(guī)范法計(jì)算了船體梁承受的極限彎矩，編寫了校核在中垂和中拱工況下船體梁橫剖面的極限彎矩能力的計(jì)算程序，根據(jù)程序計(jì)算結(jié)果對(duì)該艇進(jìn)行了極限強(qiáng)度評(píng)估。結(jié)果表明，本文方法使用方便，精度滿足工程要求，可為此類船型的極限強(qiáng)度計(jì)算提供參考。

關(guān)鍵詞：高速巡邏艇；極限承載力；極限彎矩；Smith法；強(qiáng)度評(píng)估

中圖分類號(hào)：U661.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：This paper focuses on the ultimate strength of fast patrol boat and presents the whole evaluation procedure according to the requirement of the CCS Rules for Classification of Surface Naval Ship 2011.By taking a newly designed fast patrol boat as an example， the ultimate bend moment is calculated by the rule formula， and a code for calculation of ultimate capability under sagging and hogging conditions is developed， the codes calculation results are used to evaluate the hull girder ultimate strength of the boat. The result shows that this method operates conveniently with enough precision and can give reference for ultimate strength evaluation of the boat.

Keywords：Fast patrol boat； Ultimate capability； Ultimate bend moment； Smith method； Strength evaluation

1 前言

高速巡邏艇航速較快，結(jié)構(gòu)重量較輕，在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的優(yōu)化。為了保證其結(jié)構(gòu)安全，合理的評(píng)估其極限強(qiáng)度顯得非常重要。準(zhǔn)確計(jì)算其船體遭受的極限外載荷和評(píng)估其船體極限承載能力對(duì)高速巡邏艇的設(shè)計(jì)和營(yíng)運(yùn)具有重要意義。

本文首先基于CCS規(guī)范[1]給出的外載荷計(jì)算公式求得某高速巡邏艇的設(shè)計(jì)載荷，然后采用Smith法計(jì)算了船體極限承載力的計(jì)算流程，并根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行了極限強(qiáng)度評(píng)估。

2 船型概述及計(jì)算流程

Smith法是計(jì)算船體極限彎矩的常用方法，其原理是增量-迭代法，也是目前CSR規(guī)范中推薦的計(jì)算方法[9]。通過(guò)逐漸增加船體縱向彎曲曲率的形式反映剖面構(gòu)件的破壞過(guò)程，結(jié)合離散后的有效單元的力學(xué)性能分析，得到船體梁的彎矩-曲率曲線。當(dāng)曲線的斜率減小至零時(shí)，所對(duì)應(yīng)的彎矩即為船體梁的極限彎矩，如圖1所示。Smith法考慮了構(gòu)件的后屈曲特性，具有良好的精度，使用簡(jiǎn)單方便。

在計(jì)算中僅考慮船體梁垂向彎曲，忽略了剪力、扭轉(zhuǎn)載荷、水平彎矩以及側(cè)向壓力的影響。

2.1 計(jì)算流程

船體梁總縱極限彎矩是船體梁的最大彎曲承受能力，超過(guò)此值船體結(jié)構(gòu)將會(huì)被破壞。

（1）將船體梁橫剖面離散成結(jié)構(gòu)單元，即縱向加筋板格、硬角及橫向加筋板格單元；

（2）導(dǎo)出所有單元的應(yīng)力—應(yīng)變曲線；

（3）導(dǎo)出期望的最大要求曲率。每一計(jì)算步的增量為。初始步的曲率增量，取為。根據(jù)船體梁橫剖面的彈性剖面模數(shù)Zv-net50得到第一步計(jì)算的中和軸位置ZNA-1；

（4）對(duì)各單元（序數(shù)j），計(jì)算其對(duì)于曲率的應(yīng)變、對(duì)應(yīng)的應(yīng)力及單元上的力；

（5） 通過(guò)檢查剖面 上的總軸向力來(lái)確定新中和軸的位置ZNA-i，并調(diào)整ZNA-i的位置直到為止。

單元受壓時(shí)為正，受拉時(shí)為負(fù)，重復(fù)步驟4 和5 直至達(dá)到平衡。當(dāng)中和軸的變化小于0.000 1 m 時(shí)，即認(rèn)為已達(dá)到平衡；

（6） 將各單元力的貢獻(xiàn)相加，得到相應(yīng)的彎矩：

（7） 按增加曲率，用當(dāng)前中和軸位置作為下一步計(jì)算的初始值并重復(fù)步驟（4）到（6），直至達(dá)到最大要求曲率。

極限強(qiáng)度為M-k曲線的極值，若曲線的極值沒(méi)有出現(xiàn)，則增加最終曲率Kf，至極值出現(xiàn)為止，計(jì)算流程見(jiàn)圖2。

2.2 單元?jiǎng)澐?/p>

（1）硬角單元：硬角單元是船體梁橫剖面上剛度較大的構(gòu)成單元，主要按彈性-塑性失效模式損壞，這些單元一般由兩塊不共面的板組成。硬角單元離板交點(diǎn)的范圍是在橫向加筋板上取20 tn50，在縱向加筋板上取0.5 s，見(jiàn)圖3。

（2）普通扶強(qiáng)材單元：包括一個(gè)普通扶強(qiáng)材和帶板。當(dāng)扶強(qiáng)材兩側(cè)的板格是縱向加筋時(shí)，取帶板寬度為普通扶強(qiáng)材的平均間距；當(dāng)扶強(qiáng)材一側(cè)的板格是縱向加筋，另一側(cè)是橫向加筋時(shí)，帶板寬度取縱向加筋的寬度，見(jiàn)圖3。

（3）加筋板單元：將包括縱桁或舷側(cè)縱桁腹板的板格理想化為加筋板單元、普通扶強(qiáng)材單元的帶板或硬角單元。

板格分為如下兩類：縱向加筋板格，長(zhǎng)邊沿縱向；橫向加筋板格，長(zhǎng)邊沿與縱向垂直的方向。普通扶強(qiáng)材單元之間、普通扶強(qiáng)材單元與硬角單元之間或硬角單元之間的板作為加筋板單元，見(jiàn)圖3。表1給出了不同加筋板單元和普通扶強(qiáng)材單元的失效模式，不同失效模式對(duì)應(yīng)的載荷-縮曲線參見(jiàn)[9]的附錄2。

3 高速巡邏艇的船體梁極限載荷計(jì)算

中國(guó)船級(jí)社《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》[1]中給出了作用在整個(gè)船體結(jié)構(gòu)上的船體梁載荷，也給出了作用在船體局部結(jié)構(gòu)上的用以校核結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的設(shè)計(jì)載荷。

由于艦艇航速不同，導(dǎo)致船體所受外載荷的性質(zhì)也不同。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，本艇相對(duì)速度=10.21>7.38，屬于高速船的范疇，因此，中拱計(jì)算彎矩和中垂計(jì)算彎矩按以下公式計(jì)算：

4 算例分析

4.1 船型概述

本文應(yīng)用基于CCS規(guī)范[1]中給出的方法對(duì)某型高速巡邏艇進(jìn)行船體梁結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度評(píng)估，該艇的有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2所示。

選取的船體校核位置如圖5所示，應(yīng)用Smith法將中剖面離散為67個(gè)單元。

分別計(jì)算彈性—塑性失效、梁柱屈曲、扭轉(zhuǎn)屈曲、折邊型材制成的扶強(qiáng)材腹板局部屈曲、扁鋼制成的扶強(qiáng)材腹板局部屈曲和橫向加筋板格的屈曲等不同失效形式下的各單元應(yīng)力值，計(jì)算時(shí)調(diào)整中和軸高度ZNA-i高度，得到各單元上的應(yīng)力，并使該剖面的和應(yīng)力為零，從而輸出剖面的和彎矩。然后遞增曲率，再次調(diào)整中和軸高度，輸出彎矩。最后繪制彎矩隨曲率的變化關(guān)系曲線。

根據(jù)增量-迭代法，以曲率為橫軸，垂向彎矩值為縱軸，繪制彎矩——曲率的曲線，如圖6所示。

5 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)規(guī)范[1]的要求，在船體任一橫剖面上的船體梁極限彎矩能力應(yīng)滿足下式：

6 結(jié)論與討論

本文基于CCS《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》（2011），對(duì)某新設(shè)計(jì)的高速巡邏艇的極限強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算。通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

（1）建立了高速巡邏艇的極限強(qiáng)度評(píng)估流程，根據(jù)評(píng)估要求可以采用規(guī)范公式計(jì)算船體所承受的極限彎矩；

（2）本文編寫了基于增量-迭代原理的Smith法極限承載力計(jì)算程序。Smith法考慮了材料屈服、結(jié)構(gòu)單元屈曲以及后屈曲的特性，很好地反映了船體剖面的實(shí)際破壞過(guò)程；

（3）本文建立的流程計(jì)算快捷，結(jié)果準(zhǔn)確，可為今后類似的船體梁載荷和極限承載能力計(jì)算提供參考。

參考文獻(xiàn)

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