橫向載荷作用下小水線面雙體船結(jié)構(gòu)校核與優(yōu)化

張 旭， 蔣學(xué)敏

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心， 湖北 武漢 430064)

0 引 言

小水線面雙體船(Small Waterplane Area Twin-Hull Ship, SWATH)具有耐波性優(yōu)良、操縱性強(qiáng)、航向穩(wěn)定性佳、甲板面積大等優(yōu)點(diǎn)[1]，特別能適應(yīng)要求全天候作業(yè)、具有穩(wěn)定作業(yè)平臺(tái)特性的特種艦船之需，因此SWATH自研發(fā)以來(lái)日益引起各造船強(qiáng)國(guó)的濃厚興趣，得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[2]。

與常規(guī)的單體船不同，SWATH船體一般由2個(gè)分別為流線型的水下潛體、連接水下潛體與上船體之間的狹片狀雙支柱體和高出水面的上層船體3部分組成[3]。由于其結(jié)構(gòu)形式的特殊性，在特定海況下其2個(gè)片體可能承受不同方向的波浪載荷(橫向載荷)作用，這種作用在船舶與波浪諧搖時(shí)最大，且方向相反，從而對(duì)橋體產(chǎn)生很大的橫向彎矩，使得連接橋和支柱結(jié)合處(拱腰)受到的應(yīng)力較大，因此，橫向載荷工況通常是SWATH最危險(xiǎn)的載荷工況[4]。該型船舶結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜且較常規(guī)船形不同，結(jié)構(gòu)尺寸選擇和強(qiáng)度校核沒(méi)有成熟的規(guī)范可參照成為SWATH結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)。另外，SWATH吃水對(duì)重量的變化較敏感。重量越大，吃水越深，橫向載荷就越大，橋體底部受到的砰擊就越嚴(yán)重，這些對(duì)于結(jié)構(gòu)都非常不利。如何合理分布、優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)重量既是SWATH的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，也是關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)全船開(kāi)展有限元仿真分析，研究其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并清晰地展示該型船舶的應(yīng)力分布特性，進(jìn)而有針對(duì)性地開(kāi)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在確保結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)重量。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件尺寸選用、材料選用等手段解決船體的強(qiáng)度及剛度問(wèn)題。SWATH獨(dú)特的外形決定了其結(jié)構(gòu)的橫向強(qiáng)度和剛度較差，而其在波浪中最嚴(yán)重的外力方向又恰恰是橫向的。因此，SWATH的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以船體的橫向強(qiáng)度指標(biāo)為主?，F(xiàn)結(jié)合某1 000噸級(jí)SWATH實(shí)例介紹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及要點(diǎn)：

(1) 主船體采用高強(qiáng)度鋼，上層建筑采用普通鋼。

(2) 采用橫骨架式和較小的肋距(500 mm)，以保證該船的橫向強(qiáng)度。

(3) 主甲板以下船體為保證總強(qiáng)度的主船體，特別是橋體結(jié)構(gòu)，是承擔(dān)橫向彎矩和扭矩的強(qiáng)力結(jié)構(gòu)，相應(yīng)部位予以特別加強(qiáng)。主船體部分設(shè)有連接橋抗扭箱體，箱體內(nèi)縱壁與片體內(nèi)舷對(duì)齊，設(shè)置包括前后箱體端壁在內(nèi)的數(shù)道主橫艙壁，并盡量延伸到片體中，成為片體的橫隔壁，每4檔設(shè)置強(qiáng)框架，以保證主船體橫向強(qiáng)度。

(4) 片體內(nèi)設(shè)置濕甲板，采用雙層結(jié)構(gòu)以保證甲板的強(qiáng)度和剛度，提高橋體的剖面模數(shù)，增強(qiáng)橫向強(qiáng)度及抗砰擊能力。片體內(nèi)包括前后橋端壁設(shè)數(shù)道水密艙壁，是片體承受橫向強(qiáng)度的主要結(jié)構(gòu)。每4檔設(shè)置強(qiáng)框架，以避免水下部分的外力僅通過(guò)橫艙壁傳遞到橋體而產(chǎn)生應(yīng)力集中，并增加片體自身剛度，提高其橫向承載能力及抗碰撞能力。

2 結(jié)構(gòu)校核

由于SWATH結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)簡(jiǎn)化校核方法，因此采取有限元仿真方法校核其最危險(xiǎn)工況即橫向載荷工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求。

2.1 有限元模型

為了更真實(shí)地模擬目標(biāo)SWATH在橫向載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，建立全船長(zhǎng)度范圍內(nèi)的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，并基于對(duì)稱原則在寬度方向上簡(jiǎn)化為半寬模型。

模型采用右手坐標(biāo)系，即原點(diǎn)設(shè)于船尾縱中剖面基線處，x軸為沿船長(zhǎng)方向指向船首方向?yàn)檎?，y軸為沿水平方向向左舷為正，z軸為垂向由原點(diǎn)向上為正。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)將各類構(gòu)件用下列單元類型模擬：

(1) 板殼元：甲板、外板、縱艙壁、橫艙壁，縱桁、橫框架腹板及高度大于250 mm的扶強(qiáng)材腹板等。板單元大小縱向取肋距，橫向及垂向取縱骨間距。形狀盡量接近正方形，邊長(zhǎng)比不超過(guò)1∶3。在開(kāi)孔或結(jié)構(gòu)交接處采用少量三角形單元過(guò)渡。

(2) 梁元：板材上的縱橫骨材、縱橫艙壁上的扶強(qiáng)材、支柱及其他腹板高度小于250 mm的T型材等。梁?jiǎn)卧脑O(shè)置考慮其實(shí)際偏心情況。

(3) 桿單元：強(qiáng)框架上小的加強(qiáng)筋、縱桁及橫框架面板，腹板高度大于250 mm的T型材的面板、肘板面板及其他板邊緣的面板等。

根據(jù)所選材料，屈服極限分別為355 MPa及235 MPa，材料參數(shù)為E=2.01×1 011 Pa，μ=0.3，ρ=7 850 kg/m3。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[5]第二篇第18章雙體船附錄1雙體船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算第5.1節(jié)相關(guān)內(nèi)容，許用應(yīng)力如表1 所示。

表1 許用應(yīng)力 N/mm2

有限元模型如圖1所示。

2.2 邊界條件

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[5]及《小水線面雙體船指南》[6]的要求，在船中對(duì)稱面上取對(duì)稱邊界條件(y軸方向位移Ty=0、x軸方向轉(zhuǎn)角Rx=0、z軸方向轉(zhuǎn)角Rz=0)，在首尾端拱腰與縱中剖面交點(diǎn)處取自由支持邊界條件(尾端點(diǎn)處x軸方向位移Tx=0、z軸方向位移Tz=0；首端點(diǎn)處z軸方向位移Tz=0)。

2.3 載 荷

為確定計(jì)算載荷，開(kāi)展自航模型外載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)工況有：0 kn/12 kn航速、4級(jí)/5級(jí)/7級(jí)海況、橫浪/順斜浪/尾斜浪/頂浪各種工況的組合。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，最大橫向載荷發(fā)生在0 kn航速、橫浪、5級(jí)海況下。根據(jù)耐波性理論，設(shè)計(jì)載荷取試驗(yàn)值有義值×1.86×2倍安全系數(shù)，即船體所承受的橫向力為18 701 kN。通過(guò)與林吉如等[4]和SIKORA[7]的研究成果進(jìn)行對(duì)比，此載荷量級(jí)合理，因此采用此載荷作為計(jì)算載荷開(kāi)展仿真計(jì)算。

計(jì)算時(shí)以水壓力的形式模擬最大橫向載荷的狀態(tài)，即用不同的水頭高度施加外殼板內(nèi)側(cè)與外側(cè)的水壓力，使其橫向總量與最大橫向載荷相當(dāng)，并且按其垂向總量換算結(jié)構(gòu)的垂向加速度。經(jīng)換算，內(nèi)側(cè)殼板水壓力水頭高度為5.00 m，外側(cè)殼板水壓力水頭高度為8.70 m，載荷如表2所示。

表2 載荷列表

根據(jù)上述內(nèi)容及表2計(jì)算可知：總的橫向載荷(向內(nèi))為18 726 697 N(1 909 t)；等效重力加速度為4.130 171 6 g；此時(shí)外側(cè)水壓力合力作用點(diǎn)高度為2.900 m；內(nèi)側(cè)水壓力合力作用點(diǎn)高度為1.667 m；總的橫向力合力作用點(diǎn)高度為3.174 m。

2.4 計(jì)算結(jié)果

2.4.1 變形及應(yīng)力結(jié)果

由仿真計(jì)算結(jié)果可知目標(biāo)SWATH的最大位移為7.38 mm，出現(xiàn)在艉部舷側(cè)板，如圖2所示。

圖2 變形云圖

板單元最大應(yīng)力發(fā)生在主橫艙壁上支柱與拱腰交接處，橫艙壁及強(qiáng)框架上板單元中面von Mises應(yīng)力的分布情況如圖3所示，其余部位板單元中面von Mises應(yīng)力最大值如表3所示。

圖3 板單元應(yīng)力云圖

表3 板單元應(yīng)力分布 MPa

梁?jiǎn)卧畲髴?yīng)力出現(xiàn)在強(qiáng)框架上，各部位梁?jiǎn)卧畲髴?yīng)力值如表4所示。

表4 梁?jiǎn)卧獞?yīng)力分布 MPa

桿單元最大應(yīng)力出現(xiàn)在強(qiáng)框架上，各部位桿單元最大應(yīng)力值如表5所示。

表5 桿單元應(yīng)力分布 MPa

2.4.2 結(jié)果分析

由第2.4.1節(jié)結(jié)果可知：整船的最大合成應(yīng)力為388.24 MPa，最大剪應(yīng)力為168.69 MPa，出現(xiàn)在主橫艙壁上；另外，強(qiáng)框架上的合成應(yīng)力、剪應(yīng)力亦超出許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)框架上的梁?jiǎn)卧皸U單元的合成應(yīng)力均超出許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。

橫艙壁上最大應(yīng)力發(fā)生在支柱與拱腰連接的根部，也是全船應(yīng)力最大的地方。橫向強(qiáng)框架上最大應(yīng)力也發(fā)生在支柱與拱腰連接的根部，均由支柱與拱腰連接部位的結(jié)構(gòu)突變?cè)斐?。另外，甲?、甲板2 及拱腰終止處以前的結(jié)構(gòu)(下潛體、支柱及內(nèi)外側(cè)殼板)成為橫向彎曲的懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂結(jié)構(gòu)的根部應(yīng)力較大。

船底(拱腰及支柱內(nèi)側(cè)板)上最大應(yīng)力發(fā)生在其與橫艙壁、橫向強(qiáng)框架交接處，尤其靠近首尾端部位。這些局部高應(yīng)力是由橫艙壁、橫向強(qiáng)框架構(gòu)件上較大的應(yīng)力引起的。相對(duì)而言，這些局部部位上，與橫艙壁的交接處，應(yīng)力比與橫向強(qiáng)框架交接處的應(yīng)力更大，這是由于橫艙壁比橫向強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)一些。

甲板上最大應(yīng)力發(fā)生在與橫艙壁、橫向強(qiáng)框架交接處，尤其靠近首尾端部位，這是由橫艙壁、橫向強(qiáng)框架構(gòu)件上較大的應(yīng)力引起的。另外，上層建筑結(jié)構(gòu)雖然板厚相對(duì)較小，但仍然提供足夠大的橫向剛度，因此在上層建筑前端、后端和側(cè)壁處均有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

縱艙壁作為內(nèi)部縱向構(gòu)件，不直接承受橫向載荷，因此除箱體側(cè)壁外的各處縱艙壁上的應(yīng)力均較小。

外殼板(包括支柱外側(cè)板)直接承受波浪載荷作用，并通過(guò)橫向構(gòu)件將載荷向外傳遞，因此在其上面的最大應(yīng)力發(fā)生在與橫艙壁交接處。

1號(hào)平臺(tái)作為支柱內(nèi)的縱橫向連續(xù)構(gòu)件，是支柱區(qū)域主要的承力構(gòu)件，且1號(hào)平臺(tái)的高度布置在支柱與拱腰連接鄰近部位，因此在其上面的應(yīng)力較大。2號(hào)平臺(tái)及3號(hào)平臺(tái)位于下潛體區(qū)域，且根據(jù)布置特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)在局部區(qū)域間斷，不作為主要承力構(gòu)件，因此在其上面的應(yīng)力較小。

下潛體位于底部，受力相對(duì)較小，且外形光順，因此，下潛體板、下潛體中的肋骨、水平桁及垂直桁等構(gòu)件應(yīng)力水平均較低。

綜上可知，在橫向載荷作用下，SWATH高應(yīng)力區(qū)主要分布在拱腰與支柱相交處的外側(cè)殼板、內(nèi)側(cè)殼板、橫艙壁、橫框架及甲板上，這些位置均為SWATH特殊外形特點(diǎn)造成的結(jié)構(gòu)突變區(qū)域，而其內(nèi)部平臺(tái)、縱艙壁上的應(yīng)力水平均較低。根據(jù)上述SWATH結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布特點(diǎn)，即可有針對(duì)性地對(duì)SWATH進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化方案

結(jié)合第2.4節(jié)計(jì)算及分析可得出SWATH的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化思路：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮拱腰與支柱相交處突變部位的光順過(guò)渡，并應(yīng)著重對(duì)拱腰與支柱相交處的外側(cè)殼板、內(nèi)側(cè)殼板、橫艙壁、橫框架及甲板予以加強(qiáng)，以保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；甲板及拱腰終止部位端部形成懸臂結(jié)構(gòu)，受力較大，因此對(duì)于懸臂根部也應(yīng)進(jìn)行局部加強(qiáng)；對(duì)于高度位于支柱與拱腰連接部位附近的主要連續(xù)承力平臺(tái)，可通過(guò)增加平臺(tái)板面積及增加板厚等措施予以加強(qiáng)；對(duì)于上層建筑前端、后端、側(cè)壁部位的甲板結(jié)構(gòu)，亦應(yīng)通過(guò)增加板厚或在對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)甲板構(gòu)件等方法緩解應(yīng)力集中；對(duì)于受力較小的部位，如除箱體側(cè)壁外的各處縱艙壁及2號(hào)平臺(tái)板等，可在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上酌情進(jìn)行重量?jī)?yōu)化。

針對(duì)目標(biāo)SWATH實(shí)例采取如下優(yōu)化設(shè)計(jì)：在首尾端每?jī)蓹n肋位的2號(hào)平臺(tái)與甲板2之間增加“半”強(qiáng)框架；所有強(qiáng)框架在2號(hào)平臺(tái)與甲板2之間的腹板加厚，減小1號(hào)平臺(tái)與甲板2 之間減輕孔的面積，并且加大開(kāi)孔面板的尺寸；所有主橫艙壁在甲板 2以下部分的板材加厚，尤其是支柱與拱腰(內(nèi)側(cè))及舷側(cè)(外側(cè))交接的根部；甲板1在與上層建筑交接的局部(首尾端、側(cè)壁部位)的板材加厚；1號(hào)平臺(tái)板材加厚，并減少開(kāi)孔；對(duì)除箱體側(cè)壁外的各處縱艙壁及2號(hào)平臺(tái)板材進(jìn)行重量?jī)?yōu)化。

3.2 校核結(jié)果

3.2.1 變形及應(yīng)力結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，目標(biāo)SWATH的最大位移為 6.84 mm，出現(xiàn)在艉部舷側(cè)板，如圖4所示。與原方案計(jì)算結(jié)果相比，最大位移發(fā)生的位置基本沒(méi)有變化，但數(shù)值減小，可見(jiàn)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的剛度有較大的提高。

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)后變形云圖

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，板單元最大應(yīng)力發(fā)生在主橫艙壁上支柱與拱腰交接處。圖5展示了橫艙壁及強(qiáng)框架上板單元中面von Mises應(yīng)力的分布情況，各部位板單元中面von Mises應(yīng)力最大值如表6所示。

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)后板單元應(yīng)力云圖

表6 優(yōu)化設(shè)計(jì)后板單元應(yīng)力 MPa

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，梁?jiǎn)卧畲髴?yīng)力出現(xiàn)在強(qiáng)框架上，各部位梁?jiǎn)卧畲髴?yīng)力值如表7所示。

表7 優(yōu)化設(shè)計(jì)后梁?jiǎn)卧獞?yīng)力 MPa

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，桿單元最大應(yīng)力出現(xiàn)在強(qiáng)框架上，各部位桿單元最大應(yīng)力值如表8所示。

表8 優(yōu)化設(shè)計(jì)后桿單元應(yīng)力 MPa

3.4.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的計(jì)算結(jié)果分析可知：優(yōu)化設(shè)計(jì)后，結(jié)構(gòu)中最大合成應(yīng)力及剪應(yīng)力仍位于橫艙壁上，合成應(yīng)力最大值降到237.00 MPa，剪應(yīng)力最大值降到121.03 MPa，均已滿足許用應(yīng)力指標(biāo)要求；另外，優(yōu)化后強(qiáng)框架上最大合成應(yīng)力及剪應(yīng)力也有較大降幅，分別為202.38 MPa及108.77 MPa，能夠滿足許用應(yīng)力指標(biāo)要求；強(qiáng)框架上的梁?jiǎn)卧皸U單元的合成應(yīng)力均大幅下降，分別為169.40 MPa及124.90 MPa，能夠滿足許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)；縱艙壁及平臺(tái)經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，應(yīng)力水平略有提高，但仍能夠滿足許用應(yīng)力指標(biāo)。

由此可見(jiàn)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)所有構(gòu)件均能滿足許用應(yīng)力指標(biāo)要求，且整體應(yīng)力分布更為均勻合理，同時(shí)達(dá)到重量控制的目的。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用有限元分析方法，研究SWATH在橫向載荷作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并清晰地展示結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布特點(diǎn)。提供適用于SWATH的有限元建模方法及準(zhǔn)則、載荷轉(zhuǎn)化及施加方法、約束方法等內(nèi)容，對(duì)同類船舶的校核工作具有較好的指導(dǎo)意義。

通過(guò)研究可知，SWATH在橫向載荷作用下，應(yīng)力水平通常很高，且各區(qū)域應(yīng)力分布差異懸殊。在此研究基礎(chǔ)上，可有針對(duì)性地選取結(jié)構(gòu)布局、構(gòu)件尺寸等優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，如：對(duì)已設(shè)計(jì)船舶可進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，加強(qiáng)薄弱部位，提升整體承載能力；對(duì)新設(shè)計(jì)船舶可在設(shè)計(jì)初期就選用優(yōu)化方案，如采取雙平臺(tái)、箱體結(jié)構(gòu)等形式提高局部強(qiáng)度及剛度；對(duì)于結(jié)構(gòu)突變的支柱與拱腰交接等部位，采取大圓弧連接、平緩過(guò)渡、減少局部應(yīng)力集中等方法，使結(jié)構(gòu)更好地適應(yīng)復(fù)雜的波浪環(huán)境，在確保結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上達(dá)到嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)重量的目的。