吳先彪，熊云峰，駱婉珍

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門 361021）

鋼制雙體客船結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度有限元分析

吳先彪，熊云峰，駱婉珍

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門 361021）

雙體客船在海上航行時，不僅會受到縱向彎曲力矩，同時在連接橋處還會受到巨大的橫向彎曲力矩和扭矩。為保證船體有足夠的強(qiáng)度來抵抗各種外力作用，對在各種工況下航行的雙體船進(jìn)行強(qiáng)度校核顯得尤為必要。采用有限元分析的方法對1艘40m的鋼制雙體船進(jìn)行總強(qiáng)度校核，通過對比全船和主船體構(gòu)件的受力特點(diǎn)，了解該船的應(yīng)力分布及上層建筑對總強(qiáng)度的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知此船的結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求，并在此情況下對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提出建議。

雙體客船;上層建筑;強(qiáng)度;有限元分析

0 引言

高速雙體客船是由2個單獨(dú)的片體通過連接橋連接的特殊船體，在海上航行時，興波阻力較小，航速較高。同時由于雙體客船的寬度較大，使其具有寬敞的空間和甲板面積，提高了載客量，增加了營運(yùn)的效益，在海峽兩岸客運(yùn)業(yè)中具有相當(dāng)大的競爭優(yōu)勢。但由于雙體船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在風(fēng)浪中航行時，每個片體不僅受到和單體船類似的總縱彎矩，同時在連接橋處還受到巨大的橫向彎曲力矩以及扭矩。

為了保證雙體船船體構(gòu)件有足夠的強(qiáng)度，對其進(jìn)行強(qiáng)度校核就顯得尤為必要。近些年發(fā)展起來的以有限元分析為核心的直接計(jì)算法，可以很方便的求出雙體船在各種工況下所有構(gòu)件的變形和受力狀態(tài)［1－3］。

本文以1艘40 m的鋼制雙體客船為例，依據(jù)中國船級社《海上高速船入級與建造規(guī)范 (2012）》(以下簡稱《規(guī)范》），對此雙體船整船強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，并計(jì)算上層建筑對此雙體船船體強(qiáng)度的影響，同時對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提出建議。

1 雙體船概述

1.1 主尺度及主要參數(shù)

40 m鋼制雙體船主尺度及主要參數(shù)如下:

本船采用船用A級鋼制造，航區(qū)為遮蔽航區(qū)。材料的楊氏模量E=2.1×105MPa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3，材料屈服強(qiáng)度σs=235 N/mm3。

1.2 結(jié)構(gòu)形式

本船采用橫骨架式單層底結(jié)構(gòu)，連接橋貫通整個船體，連接橋底板與甲板之間上采用橫縱強(qiáng)力隔板對其進(jìn)行強(qiáng)度加固。

1.3 全船分析模型

根據(jù)“規(guī)范”要求，進(jìn)行整船有限元分析的結(jié)構(gòu)范圍包括上層建筑和主船體在內(nèi)的全船有限元模型。所有船體外板、艙壁、甲板和平臺、主要支撐構(gòu)件等都在模型中予以表達(dá)。在討論上層建筑對主船體強(qiáng)度的影響時，主船體結(jié)構(gòu)采用主甲板以下全船結(jié)構(gòu)。

在有限元模型中，外板、甲板、艙壁，縱橫隔板等板結(jié)構(gòu)以及龍骨、實(shí)肋板、強(qiáng)肋骨、甲板縱桁等主要構(gòu)件的腹板采用三節(jié)點(diǎn)或者四節(jié)點(diǎn)的板單元進(jìn)行模擬，主肋骨，橫梁、扶強(qiáng)材等小尺寸的型材以及龍骨，強(qiáng)肋骨等強(qiáng)構(gòu)件的面板采用二節(jié)點(diǎn)梁單元模擬。板單元主體網(wǎng)格是大小為300 mm×300 mm的正方形網(wǎng)格，全船共有52 641個節(jié)點(diǎn)，42 646個殼單元和35 943個梁單元。全船有限元模型如圖1所示。

圖1 全船有限元模型Fig.1 The finite elementmodel of the catamaran

2 總載荷的計(jì)算及施加

本雙體船的計(jì)算載荷根據(jù)“規(guī)范”中附錄2的內(nèi)容利用公式進(jìn)行計(jì)算。由于雙體船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其所受的總縱彎矩并不是校核的主要方面，且規(guī)范中明確規(guī)定了在船中0.5L的范圍內(nèi)沒有較大開口，且L/D小于12，船體的結(jié)構(gòu)滿足局部強(qiáng)度的要求的雙體船，總縱強(qiáng)度可以免于校核［4］。

根據(jù)“規(guī)范”4.4.1.2規(guī)定，垂向加速度應(yīng)滿足下列要求:

式中:g為重力加速度，實(shí)取9.81 m/s2;VH為船在有義波高H1/3的波浪中航行的航速，實(shí)取35 kn;H1/3為有義波高，遮蔽航區(qū)，實(shí)取2 m;β為船體重心處橫剖面的船底升角，實(shí)取30°;KT為船舶類型系數(shù)，常規(guī)雙體船，實(shí)取1;BWL為設(shè)計(jì)水線處兩片體的最大型寬，根據(jù)型線圖，實(shí)取5.35 m;Δ為滿載排水量，實(shí)取210 t;

經(jīng)計(jì)算，可得acg=8.33 m/s2。

雙體船的主要載荷計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 雙體船主要載荷計(jì)算結(jié)果Tab.1 The calculation results of themain load

表1中:C1=0.125和C3=0.063均為航區(qū)系數(shù);L為船長，L=36m;b為片體中心距，b=6.46m;d為滿載吃水，d=1.643 m;z為水線至連接橋剖面中和軸的距離，z=2.25 m。

以上所計(jì)算的載荷，需要以等效載荷的方式加在有限元計(jì)算模型上，根據(jù)“附錄2”2.2規(guī)定，等效載荷的處理方法如下:

橫向?qū)﹂_力Fy:實(shí)際計(jì)算時，將Fy作為分布于連接橋整個長度范圍內(nèi)的分布載荷q，然后分布載荷q需換算為等效集中力p3，加于船體d/2的強(qiáng)構(gòu)件處等效載荷q=Fy/L=541.6/36=15.04 kN/m。

3 工況及邊界條件

3.1 計(jì)算工況

根據(jù)規(guī)范要求，需要計(jì)算的載荷組合工況如下:

3.2 邊界條件

使用6個位移分量來約束限制全船的空間剛體運(yùn)動，同時要保證不影響船體各部分的相對變形，根據(jù)“規(guī)范”其節(jié)點(diǎn)約束條件以及約束模型分別如表2和圖2所示。

表2 節(jié)點(diǎn)約束條件Tab.2 Restrict condition of fulcrums

圖2 雙體船總強(qiáng)度分析總體約束模型Fig.2 The general constraint of strength analysis

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 總強(qiáng)度衡準(zhǔn)

根據(jù)“規(guī)范”的要求，總強(qiáng)度計(jì)算的構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)不大于表3所列許用應(yīng)力。

根據(jù)“規(guī)范”計(jì)算，該雙體客船的結(jié)構(gòu)滿足要求，其中全船有限元分析計(jì)算中的板單元等效應(yīng)力結(jié)果見表4，部分工況的應(yīng)力云圖如圖3和圖4所示。

4.2 上層建筑對主船體總強(qiáng)度的影響

雙體客船上層建筑的特點(diǎn)是艙室面積大，整個上層建筑的覆蓋面積廣，所以對主船體受力有一定的影響。國內(nèi)部分學(xué)者采用理論和實(shí)驗(yàn)的方法，也對這方面有一定的研究和分析［5－7］。

本文在研究上層建筑對主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響時，采用的是2種對比模型分別是包括上層建筑的全船模型和主甲板及以下的主船體模型，其中包括上層建筑的全船模型的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果已經(jīng)由上文計(jì)算得出。在對主船體模型進(jìn)行計(jì)算時，采用和全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析相同的載荷施加方法，邊界條件和計(jì)算工況，對其進(jìn)行有限元分析。通過計(jì)算可得主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足強(qiáng)度要求。其中計(jì)算出的板單元的等效應(yīng)力結(jié)果如表4所示，部分應(yīng)力云圖如圖5和圖6所示。

圖3 工況1全船結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度等效應(yīng)力分布云Fig.3 The whole ship structure equivalent stress distribution of condition 1

圖4 工況3全船結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度最大剪切應(yīng)力分布云圖Fig.4 The whole ship structuremaximum shear stress distribution of conditon 3

圖5 工況5主船體結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度等效應(yīng)力變形分布云圖Fig.5 Themain hull structure equivalent stress distribution of condition 5

圖6 工況6主船體結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度應(yīng)力分布云圖Fig.6 Themain hull structure equivalent stress distribution of condition

表4 全船和主船體主要板單元等效應(yīng)力結(jié)果 單位:MPaTab.4 The equivalent stress results of the whole ship and themain hull structure plate elements unit:MPa

圖7 6種工況下片體上板構(gòu)件等效應(yīng)力比較Fig.7 The plate elements equivalent stress comparison between 6 conditions of demihulls

圖8 6種工況下連接橋上板構(gòu)件等效應(yīng)力比較Fig.8 The plate elements equivalent stress comparison between 6 conditions of cross structure

本次根據(jù)“規(guī)范”校核的雙體船的強(qiáng)度包括板單元等效應(yīng)力，板單元最大剪切應(yīng)力和梁單元的軸向應(yīng)力 (此處只給出板單元的等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果），圖7和圖8將整船和主船體計(jì)算出的板單元等效應(yīng)力進(jìn)行比較，更能直觀看出各種工況下每種構(gòu)件所受最大應(yīng)力以及上層建筑對船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

5 結(jié)語

通過對此雙體船進(jìn)行有限元分析計(jì)算，再結(jié)合此船所特有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以得出以下結(jié)論。

1）該船在數(shù)值計(jì)算過程中模型的建立、載荷的計(jì)算和施加、邊界條件以及工況都是根據(jù)“規(guī)范”來進(jìn)行的，其結(jié)果具有一定的合理性，可以為后期的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。通過有限元分析計(jì)算，該鋼制雙體船的結(jié)構(gòu)滿足“規(guī)范”對雙體船總強(qiáng)度的要求。

2）通過表4可以看出，該雙體船在以上6種工況的作用下，連接橋處強(qiáng)構(gòu)件的受力一般都比較大，同時觀察應(yīng)力云圖可發(fā)現(xiàn)，在艙壁、強(qiáng)肋骨與連接橋底板相連的部位常常產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，且此處的船體變形量比其他部位要大，在這些地方可以采用增加連接橋底板板厚或者增設(shè)比較小的肘板可以減輕應(yīng)力集中及變形量較大的現(xiàn)象。

3）該船上層建筑所受應(yīng)力主要集中在艙壁、門窗板附近，雖然應(yīng)力不是很大，但是設(shè)計(jì)者在后期設(shè)計(jì)中還是要加以重視，以免造成不必要的損失。

4）通過比較全船和主船體的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，上層建筑參與總橫強(qiáng)度以及主船體扭矩所產(chǎn)生的強(qiáng)度，特別是在連接橋橫向構(gòu)件，艙壁以及尾封板處參與的程度較大，這種影響將大大減小連接橋以及艙壁與連接橋底板接觸處的受力，保證強(qiáng)度。

5）分析各板、梁單元的應(yīng)力大小可知，此雙體船的構(gòu)件受力大小較為懸殊，且與規(guī)范規(guī)定的許用應(yīng)力大小差距較大，這樣會導(dǎo)致船用鋼材的浪費(fèi)，增加了船體的重量。設(shè)計(jì)者可以在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)減小構(gòu)件的尺寸，不僅可以減輕船體的重量，同時也可以改善船體的性能。

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Finite element analysis for the strength of a steel passenger catamaran

WU Xian-biao，XIONG Yun-feng，LUOWan-zhen
(Marine Engineering Institute，Jimei University，Xiamen 361021，China）

When sailing on the sea，the passenger catamaran are subjected to notonly the longitudinal bendingmoment，butalso the huge transverse bendingmomentand torquemoment on the cross-structures.In order to guarantee that the hull has enough strength to resist a variety of external forces，checking the strength of catamaran under various conditions is necessary.Themethod of finite element analysis is used to check the strength of a 40m steel passenger catamaran and understand the stress distribution of the ship and the influence of superstructure to the overall strength by comparing themechanical characteristics of whole ship and main hull components.According to the results，the strength of the structuremeet the requirements，and then putting forward some suggestions for the optimization of structure is necessary in this case.

passenger catamaran;superstructure;strength;finite element analysis

U611.43

A

1672－7649(2014）05－0031－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.007

2013－09－04;

2014－03－05

李尚大集美大學(xué)學(xué)科建設(shè)基金資助項(xiàng)目(ZC201002）

吳先彪(1988－），男，碩士研究生，主要從事船舶結(jié)構(gòu)性能研究。