氣墊圍裙連接結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真及改進(jìn)設(shè)計(jì)

王露寒，唐文勇*，徐圣杰,2，袁昱超

1 上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240

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

0 引 言

氣墊船具有良好的兩棲性、越障性以及快速性，能適應(yīng)大多數(shù)的海岸環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)兩棲登陸作戰(zhàn)的重要艦艇之一，在軍事上有著廣泛的應(yīng)用前景。氣墊船與普通剛性船舶最大的區(qū)別在于船底設(shè)有氣墊圍裙結(jié)構(gòu)，通過(guò)與風(fēng)機(jī)結(jié)合，可在船底與運(yùn)行表面之間形成高壓氣墊，從而將船體與運(yùn)行表面分離，因而可以在沼澤、冰區(qū)及湍流等復(fù)雜的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高速航行[1]。然而，氣墊船復(fù)雜的工作環(huán)境造成柔性圍裙張力常處于劇烈變化的狀態(tài)，再加上圍裙系統(tǒng)與船體連接多借助復(fù)雜的螺栓連接結(jié)構(gòu)，存在結(jié)構(gòu)形變劇烈、應(yīng)力響應(yīng)復(fù)雜以及循環(huán)應(yīng)力顯著等問(wèn)題，造成圍裙與圍裙連接結(jié)構(gòu)壽命較短，制約了氣墊船在惡劣工作環(huán)境下的使用。

為此，眾多學(xué)者針對(duì)圍裙連接系統(tǒng)展開(kāi)了深入研究。Ma和Sullivan[2]討論了裙布幾何形狀、囊壓比等對(duì)圍裙結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，提出的線性柔性圍裙動(dòng)力學(xué)理論為圍裙連接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。Chung等[3]將該理論擴(kuò)展至非線性領(lǐng)域，分析了大型氣墊船非線性升沉運(yùn)動(dòng)的特征，指出了圍裙系統(tǒng)中的高應(yīng)力區(qū)域并給出了設(shè)計(jì)優(yōu)化建議。Lavis和Forstell[4]將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于圍裙設(shè)計(jì)，有效緩解了圍裙的指端應(yīng)力與交變載荷，極大提高了圍裙的使用壽命。鄭楠[5]在實(shí)船使用的基礎(chǔ)上，對(duì)各種連接件與裙布連接后制成的試件進(jìn)行了靜拉伸及疲勞強(qiáng)度的系列試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)合適大小的螺栓組可以改善圍裙的裂紋擴(kuò)展。周佳等[6]利用有限元仿真方法，對(duì)氣墊圍裙受拉后的應(yīng)力和破壞位置的分布情況予以了討論，得到了增大夾制預(yù)緊力可以有效提高組件整體承載能力的結(jié)論。

盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)圍裙連接系統(tǒng)展開(kāi)深入研究，圍裙的壽命已得到很大提高，但在氣墊船的實(shí)際使用過(guò)程中，仍然出現(xiàn)了連接區(qū)域鉸鏈、船體板以及銷(xiāo)軸等關(guān)鍵構(gòu)件的破壞失效現(xiàn)象，說(shuō)明現(xiàn)階段圍裙與船體連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依靠規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式并不準(zhǔn)確。其主要原因在于，經(jīng)驗(yàn)公式無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)圍裙連接結(jié)構(gòu)中螺栓連接和復(fù)雜構(gòu)件接觸等因素對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的影響，而數(shù)值仿真方法可以通過(guò)構(gòu)建實(shí)體模型真實(shí)地考慮不同構(gòu)件間的相互作用關(guān)系對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。因此，本文將針對(duì)圍裙連接結(jié)構(gòu)的特殊性，提出考慮螺栓連接、多構(gòu)件復(fù)雜接觸以及圍裙與金屬構(gòu)件相互作用等因素的三維有限元模型構(gòu)建方法，然后利用有限元軟件對(duì)某氣墊船艏部區(qū)域的圍裙與船體連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真，模擬不同工況下連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，最后根據(jù)計(jì)算所得結(jié)果，提出針對(duì)現(xiàn)有構(gòu)件設(shè)計(jì)的改進(jìn)方案，從而提高氣墊船圍裙連接結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命。

1 圍裙連接結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建方法

目前，圍裙連接結(jié)構(gòu)采用的是與合頁(yè)結(jié)構(gòu)類(lèi)似的設(shè)計(jì)，相關(guān)構(gòu)件包括與船體連接的艇體鉸鏈、與圍裙連接的圍裙鉸鏈，以及串聯(lián)兩種鉸鏈的銷(xiāo)軸及壓板等。該結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)在于，利用螺栓結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多構(gòu)件的連接涉及大量的構(gòu)件接觸問(wèn)題。其中，螺栓連接結(jié)構(gòu)由螺栓與螺母構(gòu)成，兩者通過(guò)螺紋進(jìn)行連接，具有較強(qiáng)的幾何非線性特征，產(chǎn)生的螺栓預(yù)緊力會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)，因此螺栓與螺母的緊固方法是構(gòu)建螺栓結(jié)構(gòu)模型的重要內(nèi)容之一；而當(dāng)構(gòu)件之間處于緊密接觸狀態(tài)時(shí)，力的傳遞通過(guò)接觸面完成，因此接觸面的設(shè)置會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。由于柔性圍裙易發(fā)生大變形，因此構(gòu)建模型時(shí)，需要根據(jù)接觸構(gòu)件間材料屬性的差異設(shè)置合理的接觸面參數(shù)。

1.1 模型幾何參數(shù)

圍裙連接結(jié)構(gòu)核心的鉸鏈組合（圍裙鉸鏈和艇體鉸鏈）在結(jié)構(gòu)中重復(fù)出現(xiàn)，故只需選取局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算即可，但需要考慮合適的計(jì)算范圍以降低邊界設(shè)置的影響。分別構(gòu)建不同長(zhǎng)度艏部連接結(jié)構(gòu)的有限元模型并進(jìn)行墊升工況與極端工況下的承載計(jì)算，最終選擇了邊界設(shè)置影響小且計(jì)算效率高的3對(duì)鉸鏈組合范圍進(jìn)行艏部圍裙連接結(jié)構(gòu)研究，相應(yīng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用區(qū)域及具體模型如圖1所示。其中，船體板尺寸為340 mm×70 mm×3 mm，壓板尺寸為300 mm×50 mm×5 mm，圍裙尺寸為300 mm×70 mm×10 mm；螺栓采用M10-40型號(hào)，銷(xiāo)軸半徑為4.5 mm；鉸鏈厚度均為5 mm，轉(zhuǎn)圓部分內(nèi)圈半徑為5 mm；艇體鉸鏈和圍裙鉸鏈這2種鉸鏈搭扣部分的長(zhǎng)度為49.5 mm。

1.2 構(gòu)件材料屬性

船體板采用鋁合金，密度為2.7×10-9t/mm3，楊氏模量為7.1×104MPa，泊松比為0.34，屈服強(qiáng)度為195 MPa。螺栓、螺母、艇體鉸鏈、圍裙鉸鏈以及壓板均由不銹鋼制成，其密度為7.8×10-9t/mm3，楊氏模量為2.1×105MPa，泊松比為0.30，屈服強(qiáng)度為205 MPa。氣墊圍裙材料選用增強(qiáng)纖維橡膠布，其力學(xué)性能參數(shù)設(shè)置與文獻(xiàn)[7]一致。

圖 1 艏部連接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of bow's connection structure

1.3 網(wǎng)格劃分與接觸定義

船體板、圍裙以及壓板均進(jìn)行開(kāi)孔處理，然后根據(jù)位置關(guān)系進(jìn)行裝配，以保證鉸鏈與銷(xiāo)軸預(yù)接觸。計(jì)算模型采用C3D8R實(shí)體單元構(gòu)建，需要考慮網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。根據(jù)各構(gòu)件的尺寸特征，構(gòu)建粗網(wǎng)格、細(xì)網(wǎng)格以及局部細(xì)化網(wǎng)格等多種網(wǎng)格進(jìn)行承載計(jì)算。為兼顧計(jì)算效率與結(jié)果精度，船體板與壓板的最大網(wǎng)格尺寸為4mm×4mm×1.5mm（2層），圍裙鉸鏈與艇體鉸鏈的最大網(wǎng)格尺寸為 2mm×2mm×1.3mm（3層），圍裙的最大網(wǎng)格尺寸為 3mm×3mm×2.5mm（4層），螺栓與螺母的最大網(wǎng)格尺寸為 3mm×3mm×2.5mm，銷(xiāo)軸的最大網(wǎng)格尺寸為1 .5mm×1.5mm×1.5mm。螺栓孔、鉸鏈與銷(xiāo)軸的接觸區(qū)域均需要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，單元尺寸多控制在1～1.5 mm之間。具體的三維精細(xì)化模型如圖2所示。

圖 2 艏部連接結(jié)構(gòu)精細(xì)化模型Fig.2 Refined model of bow's connection structure

為了較真實(shí)地模擬螺栓結(jié)構(gòu)預(yù)緊過(guò)程，本文參考文獻(xiàn)[8]，采用綁定約束模擬了栓軸與螺母的接觸狀態(tài)，即假設(shè)螺母不發(fā)生松動(dòng)，但有效栓軸長(zhǎng)度仍可發(fā)生變化。各構(gòu)件間涉及大量的接觸非線性問(wèn)題，為避免出現(xiàn)結(jié)果的不收斂，法向力和切向力分別通過(guò)罰函數(shù)與庫(kù)倫摩擦模型施加，摩擦系數(shù)取為0.05[6]。不同類(lèi)型的構(gòu)件接觸還需要考慮不同的接觸面設(shè)置。金屬構(gòu)件間的接觸應(yīng)選擇區(qū)域面積小的作為接觸從面，并允許接觸面間的相對(duì)位移；而考慮圍裙與金屬構(gòu)件的接觸時(shí)，則應(yīng)選取易變形的圍裙表面作為接觸從面并限制接觸面間的相對(duì)位移，以使圍裙與構(gòu)件始終處于緊密接觸的狀態(tài)，從而有效降低由單元穿透引起的數(shù)值誤差。

1.4 邊界條件設(shè)置

為保證圍裙承拉時(shí)與船體板平行，對(duì)連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行螺栓預(yù)緊時(shí)，在船體板上端面和左右端面、壓板左右端面以及銷(xiāo)軸右端面施加固支邊界條件。船體板、壓板和銷(xiāo)軸均為連續(xù)結(jié)構(gòu)，圍裙承拉時(shí)需保證結(jié)構(gòu)在y軸方向的位移不受約束。具體的邊界條件設(shè)置如表1所示，采用的坐標(biāo)系統(tǒng)如圖1(b)所示。表中， θx， θy， θz分別為對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)角。

1.5 載荷施加

圍裙連接結(jié)構(gòu)承拉過(guò)程的模擬可以分為螺栓預(yù)緊和圍裙承拉2個(gè)階段。螺栓預(yù)緊時(shí)，預(yù)緊力施加于螺栓的根部剖面。基于螺栓標(biāo)準(zhǔn)扭矩及預(yù)緊力速查表[9]，螺栓預(yù)緊力大小設(shè)為7 500 N。圍裙承拉時(shí)，螺栓預(yù)緊力不再作用，保持有效栓軸長(zhǎng)度不變即可。為保證圍裙均勻受拉，將圍裙張力以分布載荷的形式施加于圍裙下端面。

表 1 邊界條件設(shè)置Table 1 Setting of boundary condition

1.6 隱式算法求解

在對(duì)上述連接結(jié)構(gòu)精細(xì)化模型直接進(jìn)行靜力有限元強(qiáng)度校核時(shí)，由于圍裙的大變形以及接觸的非線性容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)求解不收斂的問(wèn)題，本文將圍裙連接結(jié)構(gòu)承載過(guò)程視為準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題，采用緩慢加載的方式，利用隱式動(dòng)態(tài)算法進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)通用的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為[10]：

式中：M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；F為結(jié)構(gòu)載荷；U為節(jié)點(diǎn)位移。

本文選擇隱式算法中應(yīng)用性較好的Newmark法進(jìn)行求解。假設(shè)在時(shí)間間隔[t，t+ Δt]內(nèi)節(jié)點(diǎn)加速度線性變化，可得到如下速度、加速度公式：

式中， α,δ為控制計(jì)算精度與穩(wěn)定性的可調(diào)參數(shù)。

將式(2)和式(3)代入式(1)，整理得到

其中：

隨后，利用Newton-Raphson算法對(duì)式(4)進(jìn)行求解。將結(jié)構(gòu)承受的載荷分為若干個(gè)增量，在增量步內(nèi)迭代獲得近似解，一旦近似解偏離平衡位置，便執(zhí)行下一個(gè)迭代，最后，所有增量步的總和就是所求近似解。

2 圍裙連接結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性分析

2.1 工況定義

氣墊船正常航行時(shí)多處于墊升工況，此時(shí)，船舶勻速航行于水面之上，遭遇的海況一般不超過(guò)4級(jí)。當(dāng)氣墊船遭遇高海況而完全失去氣墊壓力時(shí)，船體在波浪上運(yùn)行，此時(shí)，氣墊船處于極端海況，連接結(jié)構(gòu)承受的圍裙張力很大。在實(shí)際使用過(guò)程中，處于墊升工況下的氣墊船連接結(jié)構(gòu)仍然有可能出現(xiàn)構(gòu)件斷裂破壞的問(wèn)題，因此，有必要考慮墊升工況和極端工況下連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)。

施加于連接結(jié)構(gòu)的載荷一般認(rèn)為是圍裙在氣壓作用下產(chǎn)生的張力，現(xiàn)有的簡(jiǎn)化分析法[11]假設(shè)張力T處處相等，計(jì)算公式為：

式中：P為圍裙受到的氣壓；R為 給定剖面內(nèi)結(jié)構(gòu)的曲率半徑。

考慮到艏部圍裙為三維結(jié)構(gòu)，因此任一剖面圍裙的應(yīng)變響應(yīng)都會(huì)受到相鄰兩個(gè)剖面的約束。簡(jiǎn)化計(jì)算公式只考慮了剖面內(nèi)的縱向張力，忽略了剖面外的橫向張力影響[12]，而結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性會(huì)造成橫向張力無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算，即使將現(xiàn)有計(jì)算公式擴(kuò)展至三維結(jié)構(gòu)，計(jì)算精度也不高。本文根據(jù)某氣墊船圍裙系統(tǒng)靜墊升時(shí)的成型結(jié)果，得到靜墊升狀態(tài)下艏裙區(qū)域圍裙的張力TB=28.6 kN/m[13]。通常情況下，當(dāng)氣墊船在墊升工況和極端工況下運(yùn)行時(shí)，對(duì)于作用于圍裙上的張力，應(yīng)在靜墊升的基礎(chǔ)上分別考慮壓力過(guò)載系數(shù)np=2.0和4.0。具體計(jì)算工況如表2所示。

表 2 艏部連接結(jié)構(gòu)的計(jì)算工況Table 2 Calculation condition of bow's connection structure

2.2 墊升工況

圖3所示為墊升工況下圍裙承載后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖。從應(yīng)力分布來(lái)看，在墊升工況下，連接結(jié)構(gòu)除局部點(diǎn)接觸外，大多數(shù)構(gòu)件遠(yuǎn)未達(dá)到屈服應(yīng)力，仍處于安全狀態(tài)。以圍裙鉸鏈為例，因承受拉力時(shí)圍裙在泊松效應(yīng)的影響下厚度會(huì)相應(yīng)減小[6]，故螺栓結(jié)構(gòu)的預(yù)緊作用會(huì)減弱。螺栓孔應(yīng)力從螺栓預(yù)緊階段的147.8 MPa下降到了133.2 MPa，平板區(qū)域應(yīng)力從87.1 MPa下降到了57.2 MPa。圖4所示為對(duì)應(yīng)工況下銷(xiāo)軸的應(yīng)力云圖。作為圍裙連接結(jié)構(gòu)重要的承拉構(gòu)件之一，在墊升工況下，連接結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在銷(xiāo)扣附近的銷(xiāo)軸上，其主要原因是銷(xiāo)扣的存在使得銷(xiāo)軸局部剛度得到極大提高，所以首個(gè)圍裙鉸鏈與銷(xiāo)軸接觸區(qū)域應(yīng)力很大。雖然銷(xiāo)軸表面局部區(qū)域已達(dá)到屈服強(qiáng)度，但是銷(xiāo)軸剖面絕大部分區(qū)域仍處于安全狀態(tài)，未完全喪失承載能力，所以發(fā)生破壞斷裂的概率不高。這由此說(shuō)明，在墊升工況下，該連接結(jié)構(gòu)從理論上講不應(yīng)該發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

圖 3 墊升工況下艏部連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.3 Stress contours of bow's connection structure under lifting conditions

圖 4 墊升工況下艏部連接結(jié)構(gòu)的銷(xiāo)軸應(yīng)力云圖Fig.4 Stress contours of pin shaft in bow's connection structure under lifting conditions

2.3 極端工況

極端工況與墊升工況的區(qū)別在于，圍裙承受的載荷大小不同。在極端工況下，連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布與墊升工況基本相同，但由于承受的載荷更大，導(dǎo)致關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力明顯升高。圖5 給出了極端工況下船體板與銷(xiāo)軸的應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，在極端工況下，船體板螺栓孔的上緣局部達(dá)到了屈服強(qiáng)度，由于船體板一般較薄，此時(shí)有較高的概率會(huì)發(fā)生破壞；銷(xiāo)軸端部由于存在銷(xiāo)扣結(jié)構(gòu)，使得幾乎全部剖面都達(dá)到了屈服強(qiáng)度，說(shuō)明此時(shí)銷(xiāo)軸的承載能力下降嚴(yán)重，發(fā)生斷裂的概率很高。

鉸鏈構(gòu)件同樣是實(shí)際使用中易發(fā)生損壞的構(gòu)件，本節(jié)選擇圖2中受邊界影響最小的第2對(duì)鉸鏈組合結(jié)果進(jìn)行討論。圖6和圖7分別反映了圍裙鉸鏈和艇體鉸鏈在不同工況下的應(yīng)力分布情況，兩者的應(yīng)力分布基本相同。從計(jì)算結(jié)果看，鉸鏈下表面的應(yīng)力高于上表面，所以后續(xù)的討論均考慮更危險(xiǎn)的下表面。以圍裙鉸鏈為例，在墊升工況下，鉸鏈?zhǔn)苈菟A(yù)緊力的影響在螺栓孔附近出現(xiàn)了最大應(yīng)力，而在過(guò)渡區(qū)域和搭扣區(qū)域則出現(xiàn)了局部的應(yīng)力集中，且數(shù)值相差不大，說(shuō)明此時(shí)過(guò)渡區(qū)域與搭扣區(qū)域是共同承載的。在極端工況下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在過(guò)渡區(qū)域的左、右兩端，其原因主要有兩方面：一是由于銷(xiāo)軸發(fā)生彎曲變形，使得鉸鏈兩端與銷(xiāo)軸發(fā)生接觸而率先承載，造成應(yīng)力集中從左、右端面向中間逐漸擴(kuò)展；二是從平板區(qū)域到過(guò)渡區(qū)域時(shí)鉸鏈寬度逐漸減小，進(jìn)入搭扣區(qū)域后曲率會(huì)發(fā)生變化，致使應(yīng)力傳遞受阻，從而造成過(guò)渡區(qū)域應(yīng)力集中。

圖 5 極端工況下艏部連接結(jié)構(gòu)的構(gòu)件應(yīng)力云圖Fig.5 Stress contours of components in bow's connection structure under extreme conditions

3 圍裙連接結(jié)構(gòu)改進(jìn)

設(shè)計(jì)時(shí)，一般認(rèn)為鉸鏈可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，所以常選用較小的板厚與銷(xiāo)軸半徑。但從上述仿真模擬和實(shí)際使用結(jié)果看，船體板、銷(xiāo)軸以及鉸鏈等構(gòu)件極易發(fā)生失效破壞，因此有必要對(duì)相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行改進(jìn)。船體板和銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，一般采取增加厚度（半徑）或采用高強(qiáng)度材料的方法即可[9]。而現(xiàn)有的鉸鏈形式主要受制作工藝的影響，其結(jié)構(gòu)仍有改進(jìn)的空間，采取增加板厚或改用材料的方法得到的不一定是最優(yōu)解。為解決圍裙鉸鏈的應(yīng)力集中問(wèn)題，提出2類(lèi)鉸鏈設(shè)計(jì)改進(jìn)方案：一是對(duì)鉸鏈薄弱區(qū)域進(jìn)行局部加厚；二是將鉸鏈的開(kāi)放式搭扣改為封閉式。除鉸鏈外模型均不變化，計(jì)算工況選擇極端工況。

3.1 鉸鏈局部加厚

該類(lèi)方案不改變鉸鏈的結(jié)構(gòu)，只對(duì)過(guò)渡區(qū)域進(jìn)行局部加厚，最大厚度達(dá)7 mm。根據(jù)搭扣與過(guò)渡區(qū)域加厚的平滑范圍，設(shè)置了3個(gè)子方案，即方案1-a、方案1-b和方案1-c，具體設(shè)計(jì)如圖8所示。3個(gè)子方案的應(yīng)力分布情況基本相同，下面以方案1-a的圍裙鉸鏈應(yīng)力結(jié)果為例進(jìn)行討論。

圖 8 極端工況下局部加厚圍裙鉸鏈方案設(shè)計(jì)圖Fig.8 Design drawing of partially thickened skirt hinge scheme under extreme conditions

從圖9所示的圍裙鉸鏈下表面應(yīng)力分布可以看出，改進(jìn)前出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域的最大應(yīng)力從205.0 MPa下降到了120.0 MPa，降幅達(dá)41.5%，但在搭扣與過(guò)渡區(qū)域加厚的平滑范圍，仍出現(xiàn)了應(yīng)力集中，最大應(yīng)力仍達(dá)205.0 MPa。造成這一現(xiàn)象的原因有2方面：一是該區(qū)域受力復(fù)雜，同時(shí)承受拉伸和剪切作用；二是加厚時(shí)需保證不同區(qū)域光順連接，而平滑范圍過(guò)小會(huì)造成厚度變化明顯，結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生較大變化，易出現(xiàn)應(yīng)力集中。

圖 9 極端工況下局部加厚的圍裙鉸鏈應(yīng)力云圖(方案1-a)Fig.9 Stress contours of partially thickened skirt hinge under extreme conditions (scheme 1-a)

從圖10所示的局部加厚圍裙鉸鏈應(yīng)力結(jié)果匯總可以看出，方案1-c的平滑范圍最大，使得區(qū)域剛度變化減緩，因而有效改善了應(yīng)力集中問(wèn)題，最大平均應(yīng)力與改進(jìn)前相比下降了24.3%；3種方案在最小平均應(yīng)力方面的表現(xiàn)基本相同，均下降約50%。對(duì)鉸鏈采用局部加厚設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能保證充足的平滑范圍，以防止局部加厚帶來(lái)的構(gòu)件應(yīng)力集中問(wèn)題。

3.2 鉸鏈封閉搭扣

該類(lèi)方案不改變鉸鏈的厚度，將搭扣端部與過(guò)渡區(qū)域進(jìn)行連接，然后根據(jù)連接形成的不同角度分別設(shè)置3種子方案，即方案2-a、方案2-b和方案2-c，具體設(shè)計(jì)如圖11所示。3個(gè)子方案的應(yīng)力分布情況基本相同，下面以方案2-a的圍裙鉸鏈應(yīng)力結(jié)果為例進(jìn)行討論。

圖 10 極端工況下局部加厚圍裙鉸鏈方案應(yīng)力結(jié)果匯總Fig.10 Summary of stress results of partially thickened skirt hinge scheme under extreme conditions

圖 11 極端工況下封閉轉(zhuǎn)圓圍裙鉸鏈方案設(shè)計(jì)圖Fig.11 Design drawing of closed-round skirt hinge scheme under extreme conditions

從圖12所示的圍裙鉸鏈下表面應(yīng)力分布可以看出，除局部接觸外，搭扣區(qū)域左、右兩端最大應(yīng)力下降明顯，從205.0 MPa下降到了116.2 MPa，降幅達(dá)43.3%，相比局部加厚方案，本方案構(gòu)件的應(yīng)力分布更加均勻；改進(jìn)后的鉸鏈最大應(yīng)力出現(xiàn)在搭扣端部附近，只有199.3 MPa，構(gòu)件大部分區(qū)域的應(yīng)力在130.0 MPa以下，而改進(jìn)前過(guò)渡區(qū)域的最大應(yīng)力為205.0 MPa，高應(yīng)力區(qū)域范圍較大，大部分區(qū)域的應(yīng)力在140.0 MPa以上。封閉搭扣設(shè)計(jì)將搭扣的自由端與較薄弱過(guò)渡區(qū)域剛性連接，使得搭扣部分與過(guò)渡區(qū)域形成結(jié)構(gòu)剛度與強(qiáng)度更大的閉式結(jié)構(gòu)，從而大大提高了圍裙鉸鏈的承載能力。

圖 12 極端工況下封閉轉(zhuǎn)圓圍裙鉸鏈應(yīng)力云圖（方案2-a）Fig.12 Stress contours of closed-round skirt hinge under extreme conditions (scheme 2-a)

根據(jù)圖13所示的封閉搭扣圍裙鉸鏈應(yīng)力結(jié)果匯總可以看出，3種子方案均可有效改善鉸鏈的應(yīng)力分布情況，效果相差無(wú)幾，最大與最小平均應(yīng)力分別下降了20.1%和16.9%。其主要原因在于，受構(gòu)件過(guò)渡區(qū)域尺寸的限制，可操作的連接角度有限，因而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度變化不明顯。所以在使用封閉搭扣形式設(shè)計(jì)鉸鏈時(shí)，搭扣端部與過(guò)渡區(qū)域的連接角度幾乎不影響構(gòu)件的承載能力，可以根據(jù)工藝要求合理選擇。

圖 13 極端工況下封閉轉(zhuǎn)圓圍裙鉸鏈方案應(yīng)力結(jié)果匯總Fig.13 Summary of stress results of closed-round skirt hinge scheme under extreme conditions

4 結(jié) 論

本文在考慮螺栓預(yù)緊力、結(jié)構(gòu)大變形以及構(gòu)件相互接觸等因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了艏部圍裙連接結(jié)構(gòu)的三維精細(xì)化模型，利用整船圍裙系統(tǒng)的成型有限元結(jié)果，獲得了不同工況下的圍裙載荷，研究了墊升工況和極端工況下圍裙連接結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，并針對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件提出了設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，得到以下主要結(jié)論：

1） 所采用的數(shù)值仿真方法能夠較為真實(shí)地考慮螺栓預(yù)緊作用，對(duì)圍裙承載下構(gòu)件的精細(xì)化模型計(jì)算分析較容易得到其應(yīng)力水平和分布情況，從而有效確定連接件局部損壞的原因。

2） 墊升工況下，圍裙連接件絕大多數(shù)構(gòu)件的應(yīng)力水平處于合理范圍，僅銷(xiāo)軸端部出現(xiàn)了小范圍的高應(yīng)力；但在極端工況下，船體板、銷(xiāo)軸端部以及鉸鏈過(guò)渡區(qū)域這3處的應(yīng)力水平明顯過(guò)大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)。

3） 局部加厚與封閉搭扣設(shè)計(jì)均能有效提高鉸鏈的承載能力，其中采用局部加厚設(shè)計(jì)易出現(xiàn)應(yīng)力集中問(wèn)題，故需保證充足的平滑范圍；采用封閉搭扣設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)工藝的需要選擇合適的連接角度。其中，封閉搭扣設(shè)計(jì)可以使應(yīng)力分布更均衡，是相對(duì)較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。