劉雪松 周玉龍

江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn) 江 212003

夾層結(jié)構(gòu)玻璃鋼游艇整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

劉雪松 周玉龍

江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn) 江 212003

目前各大船級(jí)社普遍缺乏新穎玻璃鋼艇體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算規(guī)范，因此設(shè)計(jì)者需要直接計(jì)算艇體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在研究玻璃鋼游艇的基礎(chǔ)上，用ANSYS軟件建立全船有限元模型，采用層合殼單元處理復(fù)合材料和復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)并計(jì)算分析整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。分析中所采用的方法對(duì)于正確地進(jìn)行玻璃鋼游艇整船直接計(jì)算具有指導(dǎo)作用和實(shí)用價(jià)值。同時(shí)所采用的沖擊力和水動(dòng)力加載方法可應(yīng)用于其他類(lèi)型的高速艇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析。

玻璃鋼；夾層結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；ANSYS

1 引 言

目前國(guó)外的玻璃鋼船長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到70 m以上，甚至某些軍船也采用玻璃鋼材料，而我國(guó)現(xiàn)階段只能制造長(zhǎng)40 m以下的玻璃鋼船。不但在尺度上落后于國(guó)外，即使同尺度玻璃鋼船，其結(jié)構(gòu)形式也跟國(guó)外先進(jìn)技術(shù)存在差距［1，2］。受限制的不是玻璃鋼材料本身的性能，而是缺乏這方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)計(jì)算方法。

2 玻璃鋼船的結(jié)構(gòu)特性

2.1 玻璃鋼船的骨材形式

玻璃鋼材料因其彈性模量低而容易產(chǎn)生扭曲和彎曲變形，因此玻璃鋼船的骨材就需要采用特定的截面形式來(lái)抵抗彎扭變形。通常情況下，玻璃鋼船的骨架梁材會(huì)采用梯形帽形截面，截面表面鋪設(shè)玻璃纖維，中間空心部分填充芯材。

2.2 玻璃鋼船的船體結(jié)構(gòu)形式

在船體底部一般采用玻璃纖維結(jié)合樹(shù)脂為材料設(shè)置鋪層，每一層會(huì)設(shè)有一定的方向角。龍骨區(qū)域需要加強(qiáng)，會(huì)比其他區(qū)域厚。

舷側(cè)、甲板和艙壁等與底部的不同之處在于其獨(dú)特的夾層結(jié)構(gòu)，即在鋪層結(jié)構(gòu)的中間鋪設(shè)一層泡沫芯材。盡管芯材的力學(xué)性能比較低，但整個(gè)結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度主要由芯材承受，面板對(duì)于剪切僅起部分作用。

3 玻璃鋼游艇的有限元模型

根據(jù)實(shí)船的結(jié)構(gòu)形式、受力情況、精度要求等［3］，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)和有限元知識(shí)對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，選用合適的單元加以模擬而得出有限元模型［4］。在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算中，載荷和約束都關(guān)于中縱剖面對(duì)稱(chēng)，因此只需要建立全船的半寬模型。

3.1 單元選擇

與鐵和鋼等各向同性材料相比，復(fù)合材料的有限元網(wǎng)格劃分則顯得非常復(fù)雜。由于各層材料為任意正交各項(xiàng)異性，材料性能和材料主軸取向有關(guān)。

在ANSYS中，用于建立復(fù)合材料模型的單元有 SHELL 99、SHELL 1、SHELL 81、SOLID 46 和SOLID 191五種單元。SHELL 91單元可用于夾層結(jié)構(gòu)并且允許面板和夾心層有不同的性質(zhì)，設(shè)置該單元的KEYOPT（9）＝1即可激活“夾層”選項(xiàng)。在上述的幾種單元中，只有SHELL 91單元有此夾層選項(xiàng)。

玻璃鋼游艇的骨架梁材劃分網(wǎng)格時(shí)，并沒(méi)有像普通鋼質(zhì)船那樣使用梁?jiǎn)卧湓蚴遣Ａт摯墓遣囊彩怯貌ＡЮw維進(jìn)行多層鋪設(shè)而成，并帶有芯材。而普通的梁?jiǎn)卧⒉荒軠?zhǔn)確地表達(dá)層合結(jié)構(gòu)形式，因此選用了殼單元來(lái)替代梁?jiǎn)卧?/p>

3.2 層合結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)的模擬

層合結(jié)構(gòu)如圖1所示，各單層板采用玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，Y向?yàn)槔w維的軸向方向，Z向?yàn)榇怪庇诶w維軸線(xiàn)的方向（即疊層方向）。根據(jù)玻璃纖維的性能特點(diǎn)，各單向板是正交各向異性板，所以在ANAYS中定義單向板的材料屬性為Orthotropic。每一層材料，可以通過(guò)單元實(shí)常數(shù)來(lái)定義如下性質(zhì)：材料屬性（通過(guò)材料參考號(hào)MAT來(lái)定義）、層的定向角（THETA）和層的厚度（TK）。

夾層結(jié)構(gòu)（“三明治結(jié)構(gòu)”）如圖2所示，有兩個(gè)薄的面板和一個(gè)較厚但相對(duì)軟的夾心層，它允許夾層結(jié)構(gòu)中面板和夾心層有不同的材料屬性。在玻璃鋼游艇中，夾心層一般為泡沫，根據(jù)泡沫的特性，可將其視為各向同性體。夾層結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)的定義與普通層合結(jié)構(gòu)相同［5-7］。

4 約束與載荷

4.1 全船有限元邊界條件

船體是一個(gè)漂浮體，處于平衡力系之下，但沒(méi)有對(duì)剛體運(yùn)動(dòng)的約束。而有限元分析要求結(jié)構(gòu)的剛體被支座所限制，以便計(jì)算結(jié)構(gòu)的相對(duì)變形。為此，必須給浮動(dòng)船體加上適當(dāng)?shù)募s束，令船體不能做剛體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也不能限制船體變形，不能影響全船結(jié)構(gòu)的受力，這樣求出的相對(duì)變形與內(nèi)力才是真實(shí)的［8］。通常，在艉部艙壁處對(duì)稱(chēng)位置和艏部縱剖面的節(jié)點(diǎn)上施加6個(gè)獨(dú)立約束，同時(shí)還要在中縱剖面施加對(duì)稱(chēng)約束。

4.2 艇體載荷

作用在艇體上的平衡力系組成如下：

1）波浪對(duì)艇體的沖擊力和艉部水動(dòng)力；

2）艇體慣性力；

3）艇體浮力；

4）艇體重力。

波浪對(duì)艇體的沖擊力F按式（1）計(jì)算確定：

式中，F(xiàn)為沖擊力；me為沖擊作用中心處艇的有效質(zhì)量 （如表1所示）；g為重力加速度；n為沖擊力作用中心處的艇體慣性系數(shù)。

表1 載荷作用區(qū)域

艇的（沖擊）有效質(zhì)量按下式計(jì)算：

式中，m為艇在正常裝載狀態(tài)下的總質(zhì)量；r1為沖擊力作用中心至艇重心的距離（自重心向艏為正，如圖1所示）；r2為艉部水動(dòng)力作用中心至艇重心的距離；R為艇體對(duì)通過(guò)重心橫軸的慣性半徑。

x號(hào)理論站處的慣性力按式（3）計(jì)算：

式中，F(xiàn)（x）為x號(hào)理論站處單位長(zhǎng)度的慣性力；m（x）為 x號(hào)理論站艇體單位長(zhǎng)度的質(zhì)量；n（x）為x號(hào)理論站處的慣性系數(shù)，按公式（4）計(jì)算；g為重力加速度。

式中，me為沖擊力作用中心處的有效質(zhì)量 （按式（2）計(jì)算）；L為計(jì)算長(zhǎng)度；Xg為艇重心到舯剖面的距離（自重心向艏為正，見(jiàn)圖 1）；r1，r2，R，m 參見(jiàn)式（2）中的符號(hào)說(shuō)明；x為理論站號(hào)。

艏部沖擊力作用區(qū)的浮力應(yīng)按式（5）計(jì)算確定：

艉部水動(dòng)力作用區(qū)的浮力按式（4）計(jì)算：

艇體載荷按梯形分布，如圖2和圖3所示。

5 計(jì)算及后處理

完成約束和載荷后，可以直接用solve求解器計(jì)算［9，10］。對(duì)于計(jì)算結(jié)果，在缺省情況下，只有第一層（底層）的底面、最后一層（頂面）的頂面以及最大失效值所在層的結(jié)果數(shù)據(jù)被寫(xiě)入結(jié)果文件，如果用戶(hù)對(duì)所有層的結(jié)果數(shù)據(jù)都感興趣，則應(yīng)設(shè)置KEYOPT（8）＝1，但這樣可能導(dǎo)致結(jié)果文件很大。具體某一層的結(jié)果可以在后處理POST1中使用LAYER 命令 （Main Menu＞General Postproc＞Options for Outp）來(lái)指定層號(hào)。

6 算 例

以62′豪華游艇為例，應(yīng)用以上方法對(duì)該艇在舯拱狀態(tài)下進(jìn)行整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析。該艇總長(zhǎng) 19.51 m、 計(jì)算長(zhǎng)度 17.50 m、 設(shè)計(jì)型寬 5.02 m、設(shè)計(jì)型深 2.875 m、設(shè)計(jì)吃水 1.08 m、設(shè)計(jì)航速29 kn，正常排水量32 t。全艇材料選用不飽和聚酯樹(shù)脂結(jié)合無(wú)堿玻璃纖維布和無(wú)堿玻璃纖維氈，芯材Corecell牌SAN船用泡沫。全船共4 745個(gè)單元，14 373個(gè)節(jié)點(diǎn)。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)玻璃鋼游艇在舯拱載荷下整船結(jié)構(gòu)三維有限元強(qiáng)度的計(jì)算分析，獲得底部、舷側(cè)、甲板和骨材等構(gòu)件的應(yīng)力，結(jié)果可作為判斷艇體總強(qiáng)度的依據(jù)。

計(jì)算表明，艇體在舯拱載荷作用下，6號(hào)肋位的變形最大。艇體的最大變形24.291 mm，方向?yàn)閆方向。按照規(guī)范，最大變形小于艇體長(zhǎng)度的1／200，說(shuō)明艇體的變形不大，剛度是有保證的。最大等效應(yīng)力為186 MPa，位于艇底及舷側(cè)上部，整艇滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

本文所建立的玻璃鋼游艇整船有限元分析計(jì)算艇體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力的方法和步驟具有通用性，文中處理復(fù)合材料以及夾層結(jié)構(gòu)的方法也適用于其他類(lèi)型玻璃鋼船的強(qiáng)度分析。

［1］朱珉虎.滑行艇的受力與強(qiáng)度［J］.中外船舶科技，2006（1）：25－27.

［2］董祖舜.快艇動(dòng)力學(xué)［M］.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1991.

［3］王瑞，武玲.船舶用玻璃鋼及其性能分析［J］.中國(guó)紡織大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，26（3）：123－126.

［4］孫麗萍.船舶結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2004.

［5］周艷秋，洪明.艦船用夾層板的力學(xué)特征與應(yīng)用［J］.中國(guó)造船，2004，45（B12）：79－85.

［6］曹明法，胡培.船用玻璃鋼／復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)中的泡沫芯材［J］.江蘇船舶，2004，21（2）：3－6，19.

［7］唐文勇，陳念眾，張圣坤.復(fù)合材料加筋層合板的極限強(qiáng)度分析，2007，24（8）：43－48.

［8］陳念眾，張圣坤，孫海虹.復(fù)合材料帽形加筋板極限承載能力［J］.玻璃鋼／復(fù)合材料，2001（3）：46－48.

［9］CARRERA E.A refined multilayered finite－element model applied to linear and non－linear analysis of sandwich plates ［J］.Composites Science and Technology，1998，58（10）：1553-1569.

［10］DOMNISORU L，DRAGOMIR D，KOLEV P.The strength analysis of a patrol boat with composite material structure based on 3D－FEM－h(huán)ull model approach ［J］.Annals of＂Dunarea de Jos＂ University Galati. Fascicle XI，Shipbuilding，2006，24：11-20.

Finite Element Analysis of the Global Strength of FRP Yacht with Sandwich Structures

Liu Xue－song Zhou Yu－long
College of Marine and Shipbuilding Engineering， Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，Jiangsu

The codes and regulations provided by the major ship classification societies for computing strength of fashionable FRP yacht are very rare.Therefore，designers turn to the direct method to compute the structural strength.Based on the study of FRP yacht， a finite element model of full yacht was generated by software ANSYS with layered shell elements to treat composite materials and sandwich structures as well as to compute the structural strength of the full model.The methods used in the paper have provided some advices on how to perform direct computations of FRP yacht in a right way and therefore are of practical values.The two loading methods applied in this paper， impulsive forces and hydrodynamics， can also be used to perform finite element analysis for other similar boats of high speed.

FRP； sandwich structure； structural strength； ANSYS

U661.43，U674.934

A

1673－3185（2010）02－45－04

2009－07-13

劉雪松（1985－），男，碩士研究生。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)。E-mail：tinsug＠ yahoo.com.cn

周玉龍（1955－），男，研究員。研究方向：船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和船舶性能