基于CATIA的氣墊船首部三元柔性圍裙抗縮進(jìn)性能數(shù)值分析

張宗科 徐圣杰 劉 一

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

全墊升氣墊船在墊態(tài)航行時(shí)，柔性圍裙充氣成型形成高壓氣墊，將船體墊高懸浮在水面或地面之上，僅圍裙下部的手指與運(yùn)行表面柔性接觸，使船具有水陸兩棲性［1］。不同部位圍裙手指與相對(duì)水流方向的關(guān)系不同，如首部圍裙手指外端面順?biāo)瑐?cè)部圍裙手指的側(cè)端面順?biāo)?，尾部圍裙外端面逆水?/p>

氣墊興波產(chǎn)生的縱傾角隨航速逐漸減小，船在越出阻力峰高速航行時(shí)，縱傾角較小，如美國(guó)LCAC高速縱傾角一般在1.3°左右［2］。氣墊船采用高置的空氣螺旋槳推進(jìn)，風(fēng)速對(duì)螺旋槳推力影響較大。在遭遇順風(fēng)時(shí)，槳推力會(huì)突然加大產(chǎn)生低頭力矩，使得首部圍裙下部手指底端突然觸水；遭遇其他船的尾浪時(shí)，手指承受的外力變?yōu)榕c航速平方成正比的水動(dòng)沖擊力，形成下拖的低頭力矩。由于氣墊船墊態(tài)縱穩(wěn)性遠(yuǎn)小于排水狀態(tài)，低頭力矩使船縱傾角減小，導(dǎo)致首部圍裙觸水增加，形成惡性循環(huán)。若首部圍裙抗縮進(jìn)能力不足，則容易造成船剛性結(jié)構(gòu)觸水，形成埋首［1］。

以前首部圍裙下部手指觸水后采用二元等效分析方法，如圖1所示。手指以一條斜直線等效代替，手指位于水面下（水深hw）的部分觸水變形后平貼于水面（對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度Lw），手指未觸水部分的末端與水面呈圓弧過渡（對(duì)應(yīng)圓心角為θ）。

圖1 以前首部圍裙下端觸水變形二元等效分析方法

不過，上述等效分析方法存在一些不足之處，如未能考慮首部圍裙實(shí)際三元形狀，未計(jì)入圍裙上囊指連接筋，以及手指實(shí)際結(jié)構(gòu)（如前端面向兩側(cè)耳片的轉(zhuǎn)圓過渡，手指前端面自上而下由平直線段過渡為半圓弧，拼接成手指的膠布拼縫寬度及位置等）的影響，如圖2所示。［3-4］本文通過二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)CATIA中首部三元圍裙的參數(shù)化建模［5］，通過Analysis & Simulation模塊的Advanced Meshing Tools / Generative Structural Analysis，自動(dòng)劃分網(wǎng)格、設(shè)置材料特性、施加外載荷與邊界條件等，進(jìn)行成型計(jì)算，施加外部水動(dòng)力載荷作變形分析，比較不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)抗縮進(jìn)性能的影響，優(yōu)化首部圍裙設(shè)計(jì)。

圖2 圍裙手指與大囊的連接及手指典型結(jié)構(gòu)

1 CATIA中圍裙參數(shù)化建模及有限元分析方法

1.1 CATIA中圍裙參數(shù)化建模

全墊升氣墊船的圍裙一般由安裝在沿船體浮箱下部的周邊圍裙與安裝在船底中部的分隔圍裙組成。圍裙的上部為連續(xù)的大囊，下部為相互獨(dú)立的手指、錐筒指或小囊。設(shè)計(jì)時(shí)，一般先對(duì)周邊圍裙的首部、側(cè)部、尾部、首轉(zhuǎn)角、尾轉(zhuǎn)角等部位的圍裙典型二元剖面進(jìn)行成型計(jì)算，必要時(shí)在小圍裙箱上對(duì)上述剖面的縮尺圍裙模型進(jìn)行吹氣成型與變形試驗(yàn)。在CATIA中構(gòu)建圍裙三維模型時(shí)，首先對(duì)上述部位的圍裙典型剖面型線導(dǎo)入CATIA中不同參考面內(nèi)構(gòu)建剖面曲線作為控制截面（Section），隨后構(gòu)建圍裙在船體上的內(nèi)、外安裝邊線，囊指周向連接邊線，以此為引導(dǎo)線將前述的控制截面掃略形成圍裙大囊，如下頁(yè)圖3所示。當(dāng)圍裙典型剖面優(yōu)化改進(jìn)后，僅需重新導(dǎo)入剖面控制參數(shù)，圍裙大囊會(huì)自動(dòng)更新。［5］

圖3 圍裙建模示意圖（左為周邊圍裙大囊，中為開式手指，右為錐筒指）

圍裙的開式手指成型后形狀如圖4所示，由柱狀的外端面、側(cè)部的左/右耳片組成。將首、側(cè)、尾等典型剖面處的手指下端點(diǎn)連成線，與囊指周向連接線一起作為導(dǎo)引線，利用首、側(cè)、尾等部位的手指構(gòu)造線掃略形成多截面曲面。首先建立單獨(dú)的手指幾何圖形集，利用手指左/右耳片所在的垂向參考平面剖切上述掃略面，得到單個(gè)手指的左右耳片信息，構(gòu)造形成該手指的圓柱形外端面，而手指耳片則由上述垂向參考平面與圍裙大囊的交線及手指外端面兩側(cè)邊線、耳片內(nèi)邊線圍成曲面，如圖3所示。

圖4 圍裙開式手指建模示意圖

利用Join功能將手指外端面、左右耳片合成單個(gè)手指整體曲面。將上述單個(gè)手指幾何圖形集中有關(guān)參考面、交線、構(gòu)造面等重命名，然后可將該手指幾何圖形集直接Copy/Paste，僅需修改耳片所在的垂向參考平面即可批量生成其余手指。一般而言，周邊圍裙下部的開式手指為100個(gè)左右。

錐筒指一般位于船的尾部或尾轉(zhuǎn)角圍裙，其形成封閉的錐面，以防止船在前行時(shí)手指兜水?？蓞⒄臻_式手指的建模過程生成封閉式錐筒指，其特點(diǎn)是上方下圓。錐筒指上端面矩形由左右耳片與大囊的交線、內(nèi)外囊指周向連接線圍成；下端面圓則位于左右耳片與手指掃略面交線圍成的矩形內(nèi)，以該矩形4條邊的中點(diǎn)作為控制點(diǎn)生成封閉式樣條曲線作為下端面的圓。

將上端面矩形4條邊的中點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的下端面矩形4條邊的中點(diǎn)連線作為構(gòu)造錐筒面的引導(dǎo)線，同時(shí)將下矩形的兩條對(duì)角線與下端面圓的交點(diǎn)，與上端面矩形對(duì)應(yīng)的4個(gè)頂點(diǎn)相連也作為構(gòu)造錐筒的引導(dǎo)線。以上端面矩形、下端面圓作為控制截面，利用上述8條引導(dǎo)線生成錐筒面，如圖3所示。同樣將該單個(gè)錐筒指幾何圖形集中的有關(guān)元素重命名，然后可直接Copy/Paste生成其余錐筒指，僅需微調(diào)其中的幾個(gè)參數(shù)（如左右耳片所在的垂向參考平面）即可。

在CATIA中利用上述方法構(gòu)建的英國(guó)BH7氣墊船圍裙三維模型如下頁(yè)圖5所示。

1.2 CATIA中圍裙有限元分析方法

轉(zhuǎn)入CATIA中的“分析與模擬”模塊，可在子 模塊“Advanced Meshing Tools” 中 的“Global Specifications”對(duì)話框中設(shè)置單元類型以及網(wǎng)格尺寸，在“Local Specifications”中的“Add/Remove Contraints”對(duì)話框中將囊孔邊線、囊指連接線以及手指耳片所在平面與圍裙大囊的交線等設(shè)定為單元節(jié)點(diǎn)所在的控制線，由“Imposed Elements”在控制線及Object的自由邊上預(yù)置單元種子。［6］

圖5 BH7全墊升氣墊船圍裙CATIA中3D模型（右為尾轉(zhuǎn)角及尾部圍裙的局部放大）

利用子模塊“General Structural Analysis”中的Property、Material、Restraints、Loads分別設(shè)置材料與截面特性，邊界約束及外載荷等，對(duì)手指與大囊的連接可利用“Seam Welding”來模擬，隨后可進(jìn)行有限元分析Results Computation。［6］

圖6 CATIA中圍裙大囊及手指的網(wǎng)格劃分

2 在MVPP-10氣墊船尾部圍裙上的驗(yàn)證分析

由于所查到的氣墊船文獻(xiàn)資料中圍裙觸水/兜水變形的具體算例較少，故取日本MVPP-10氣墊船尾部圍裙兜水變形作為算例。

MVPP-10氣墊船是日本三井公司引進(jìn)英國(guó)技術(shù)建造的大型客運(yùn)氣墊船，總長(zhǎng)23.1 m、總寬11.0 m、總寬6.5 m、總重約40 t、載客105人，最大航速52 kn［7］，參見圖7。MVPP-10采用囊指型圍裙，裙高1.2 m，周邊的首側(cè)部圍裙下部為開式手指，尾轉(zhuǎn)角及尾部圍裙下部為封閉式的錐筒指。中間為“T”字形分隔圍裙，上部為連續(xù)的大囊，其下部為相互獨(dú)立的錐筒指。

圖7 日本MVPP-10氣墊船圍裙結(jié)構(gòu)及實(shí)船尾部圍裙

MVPP-10的尾部圍裙最早采用開式手指形式，在實(shí)用中易兜水、阻力大。TOYAMA Y等［7］通過理論與試驗(yàn)研究，將尾部圍裙下部手指形式由開式指改為封閉式的錐筒指，改善了手指兜水、減小阻力，也延長(zhǎng)了圍裙使用壽命。

利用文獻(xiàn)中的尾部圍裙剖面線形，在CATIA中構(gòu)建其三維模型，并完成有限元網(wǎng)格劃分，與文獻(xiàn)中模型比較如圖8所示。

圖8 MVPP-10尾部錐筒指型線及圍裙典型分段有限元網(wǎng)格劃分（右為CATIA中）

MVPP-10的尾部開式指圍裙以及錐筒指圍裙在施加氣墊囊壓、墊壓及兜水阻力后的變形，分別見圖9中左圖、右圖?？梢妵瓜虏块_式手指易兜水，手指外端面逆著水來流方向，在水動(dòng)力作用下被向下拉，兜水更為嚴(yán)重。而封閉式錐筒指由內(nèi)端面迎水，在水動(dòng)力作用下上抬，兜水效應(yīng)減少。由于高壓氣墊興波的影響，在第一阻力峰處興波引起的縱傾角最大，此時(shí)尾部手指兜水最為嚴(yán)重，船模試驗(yàn)結(jié)果表明，尾部開式指圍裙對(duì)應(yīng)的阻力峰值甚至達(dá)到錐筒指圍裙的6倍。

圖9 MVPP-10尾部開式指圍裙、錐筒指圍裙兜水變形（淺色為變形后形狀）

3 首部圍裙觸水變形

TOYAMA Y等［7］通過研究提出圍裙觸水時(shí)承受的水動(dòng)力可由式（1）來近似計(jì)算：

式中：A=B·Hw為觸水面積，m2；CD為水動(dòng)力系數(shù)；B為觸水寬度，m；Hw為觸水深度，m；ρ為水密度，kg/m3；g為重力加速度，g/m3。

利用此公式可計(jì)算MVPP-10首部圍裙下部手指觸水承受的水動(dòng)阻力載荷，同時(shí)將該值等效為面壓力作用在手指觸水面上。MVPP-10首部圍裙在不同航速下觸水變形見圖10。

圖10 MVPP-10不同航速下首部圍裙觸水變形

國(guó)內(nèi)所作的圍裙在不同水流來流速度下觸水變形的水槽模型試驗(yàn)見圖11。隨著水來流速度的增大，圍裙大囊被逐漸下拖，可見MVPP-10首部圍裙的理論計(jì)算結(jié)果與水槽模型試驗(yàn)的趨勢(shì)較為一致。

英國(guó)SRN4MK3全墊升氣墊船曾經(jīng)是世界上最大的商用氣墊船，用作英吉利海峽的車客渡輪。首部圍裙具有良好的響應(yīng)度與抗縮進(jìn)能力，其典型分段如圖12所示，其在不同觸水深度與航速下的手指底端位移見圖13。改變手指參數(shù)，將底端內(nèi)縮320 mm，手指底端觸水變形也在圖中給出。

圖11 不同來流下圍裙觸水變形的水槽模型試驗(yàn)

圖12 英國(guó)SRN4MK3氣墊船首部圍裙（右為手指底端內(nèi)縮320 mm）

圖13 英國(guó)SRN4MK3氣墊船首部圍裙觸水變形

將英國(guó)SRN4MK3船的首部圍裙外安裝節(jié)點(diǎn)提高0.5 m，其余參數(shù)保持不變，其首部圍裙下部手指底端觸水變形見圖14。可見，圍裙外安裝節(jié)點(diǎn)提高可提高圍裙觸水變形響應(yīng)能力。

圖14 英國(guó)SRN4MK3氣墊船首部圍裙觸水變形（改變圍裙參數(shù)）

某氣墊船首部圍裙三維模型及手指三元結(jié)構(gòu)見圖15。

假定同一觸水深度首部圍裙下部手指在不同航速下的觸水變形見圖16。

圖15 某船首部圍裙三維模型及觸水變形

圖16 不同航速下首部圍裙下部手指觸水變形

由上圖可見，受圍裙手指自身三維結(jié)構(gòu)的影響，使手指觸水部分不是直接平貼于水面，而是手指兩側(cè)耳片基本保持不變，手指前柱面內(nèi)凹，其承受的兜水載荷會(huì)更大，兜水合力作用點(diǎn)也位于水面之下，產(chǎn)生的下脫力矩更大，不利于圍裙抗縮進(jìn)。隨航速的增加，手指前柱面內(nèi)凹兜水載荷會(huì)進(jìn)一步加大。

4 結(jié) 語

在CATIA中通過二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)首部三元圍裙的參數(shù)化建模，并利用有限元法進(jìn)行三元成型計(jì)算以及圍裙下部手指觸水后的性能分析，可更真實(shí)地反映手指實(shí)際三維結(jié)構(gòu)對(duì)抗縮進(jìn)能力的影響，有利于提高抗縮進(jìn)性能分析的精度，提升圍裙設(shè)計(jì)水平，滿足現(xiàn)代氣墊船對(duì)高速機(jī)動(dòng)性的更高要求。