摘要：本文利用有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran對(duì)某300 t級(jí)高速船總強(qiáng)度進(jìn)行直接計(jì)算，介紹了計(jì)算模型的建立過(guò)程、載荷加載方法及邊界條件的設(shè)置，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，可為同類高速船總強(qiáng)度直接計(jì)算提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：總強(qiáng)度；直接計(jì)算；慣性釋放；有限元分析

中圖分類號(hào)：U663.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Direct Calculation of Overall Strength for 300 t Custom Boat

CHEN Nanhua

( Guangzhou Marine Engineering Corporation, Guangzhou 510250 )

Abstract: Direct calculation of overall strength for 300 t high speed boat is carried out by finite element analysis software MSC.Patran/Nastran. The techniques of establishing model, dealing with load, setting boundary conditions are presented, and the results are analyzed. The paper can provide some references for direct calculation of overall strength for the same type of high speed craft.

Key words: overall strength; direct calculation; inertia relief; finite element analysis

1引言

中國(guó)船級(jí)社《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范(2012)》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）對(duì)單體高速船直接計(jì)算提出了更嚴(yán)格的要求：對(duì)于船長(zhǎng)大于50 m的單體船應(yīng)進(jìn)行全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的直接計(jì)算驗(yàn)證。本文基于《規(guī)范》中高速船船體結(jié)構(gòu)直接計(jì)算指南的要求，利用有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran對(duì)某300 t級(jí)高速船總強(qiáng)度進(jìn)行了直接計(jì)算，介紹了計(jì)算模型的建立過(guò)程、載荷加載方法及邊界條件的設(shè)置，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，可為同類高速船總強(qiáng)度直接計(jì)算提供一定的參考。

2船舶概況

本船航行于近海航區(qū)，主船體為單底、單甲板縱骨架式鋼結(jié)構(gòu)，甲板室為縱骨架式鋁合金結(jié)構(gòu)。其主要尺度及參數(shù)如下：

總長(zhǎng)54.93m

計(jì)算船長(zhǎng) 51.75m

型寬7.60m

型深4.20m

結(jié)構(gòu)吃水 2.15m

排水量 388.7t

最大航速 32.kn

3有限元模型

3.1模型的建立

有限元模型采用全船整體3維模型，主船體及甲板室結(jié)構(gòu)均在模型中予以表達(dá)，見(jiàn)圖1?？傮w坐標(biāo)系取右手直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)取在船縱中剖面內(nèi)尾垂線（#0）和基線相交處，x軸沿船長(zhǎng)向首為正方向，y軸沿船寬向左舷為正方向，z軸沿型深向上為正方向。

圖1全船有限元模型

3.2單元類型及模型規(guī)模

結(jié)構(gòu)中的板材和主要支撐構(gòu)件的腹板用板單元模擬；縱骨、主要支撐構(gòu)件的面板、支柱等用梁?jiǎn)卧M，并考慮各構(gòu)件的實(shí)際截面和偏心。

模型網(wǎng)格尺寸縱向以肋距，橫向、垂向以縱骨間距為基準(zhǔn)進(jìn)行劃分。模型中共有26 024個(gè)節(jié)點(diǎn)，29 362個(gè)板單元，22 517個(gè)梁?jiǎn)卧?/p>

3.3材料參數(shù)

本船主船體為鋼結(jié)構(gòu)，其中舷側(cè)板、船底板、舷側(cè)縱骨、船底縱骨為L(zhǎng)907A，其余為B級(jí)鋼。鋼的彈性模量為2.06×105 MPa，泊松比為0.3，L907A焊接后的屈服強(qiáng)度為390 MPa，B級(jí)鋼焊接后的屈服強(qiáng)度為235 MPa。

甲板室結(jié)構(gòu)材料為鋁合金，其中甲板及外圍壁使用帶筋板，牌號(hào)為6082-T6，其余板材為5083-H321/H116，型材為6082-T6。鋁合金彈性模量為0.69×105 MPa，泊松比為0.33，焊接后的屈服強(qiáng)度統(tǒng)一取為115 MPa。

3.4載荷計(jì)算及加載

載荷計(jì)算根據(jù)《規(guī)范》有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。除全墊升氣墊船外的各類高速船，由波浪沖擊力引起的總縱彎矩MB可按下式計(jì)算：

kN·m （1）

代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算,得到MB=±20427 kN·m（“+”為中拱，“－”為中垂）。

假設(shè)船體總縱彎矩沿船長(zhǎng)方向按正弦曲線分布：

kN·m （2）

式中：x為自船尾起算的橫截面坐標(biāo)，分布曲線的幅值為船中橫剖面的總縱彎矩MBY。

M(x)可通過(guò)施加沿船長(zhǎng)分布的垂向力q(x)實(shí)現(xiàn)，q(x) (向上為正)可按下式計(jì)算：

kN/m（3）

式中：kN/m （4）

由上述計(jì)算公式可知中拱、中垂彎矩值相同，因此只需選擇一種工況進(jìn)行計(jì)算即可，本文選取中拱工況。由于本船線型變化較快且前后不對(duì)稱，如采用在計(jì)算模型上施加沿船長(zhǎng)分布的垂向力，則容易產(chǎn)生不平衡力，從而對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。本文通過(guò)將載荷等效成作用于船底中龍上的一系列集中力的方式進(jìn)行加載，每個(gè)集中力等于分布力乘以該集中力加載區(qū)間的長(zhǎng)度，加載后模型上所有的垂向力之和接近于零，其絕對(duì)值誤差不大于0.005 q0L。

3.5邊界條件

邊界條件的設(shè)置直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，為此，《規(guī)范》使用6個(gè)位移分量約束限制全船模型的空間剛體運(yùn)動(dòng)，而不影響船體各部分的相對(duì)變形，其建議的邊界條件為：在縱中剖面上取首、尾各一點(diǎn)A和B，中部舷側(cè)取一點(diǎn)C；約束A點(diǎn)的x、y、z三個(gè)位移分量，約束B(niǎo)點(diǎn)的y、z二個(gè)位移分量和約束C點(diǎn)的z向分量。

在實(shí)際的計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用上述邊界條件得到的全船變形云圖與實(shí)際情況有出入，為此筆者采用慣性釋放[3]的方法來(lái)處理邊界條件的問(wèn)題。

慣性釋放是MSC. Nastran或ANSYS中的一個(gè)高級(jí)應(yīng)用，允許對(duì)完全無(wú)約束的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是用結(jié)構(gòu)的慣性(質(zhì)量)力來(lái)平衡外力。盡管結(jié)構(gòu)沒(méi)有約束，分析時(shí)仍假設(shè)其處于一種“靜態(tài)”的平衡狀態(tài)。采用慣性釋放功能進(jìn)行靜力分析時(shí)，只需要對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行6個(gè)自由度的約束(虛支座)。針對(duì)該支座，程序首先計(jì)算在外力作用下每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)方向上的加速度，然后將加速度轉(zhuǎn)化為慣性力反向施加到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，由此構(gòu)造一個(gè)平衡的力系(支座反力等于零)。求解得到的位移描述所有節(jié)點(diǎn)相對(duì)于該支座的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。本文慣性釋放點(diǎn)設(shè)置在船中基線處，計(jì)算所得的全船變形即為相對(duì)于該點(diǎn)的變形。后文中將給出基于這兩種邊界條件所得到的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及變形對(duì)比情況。

4計(jì)算結(jié)果及分析

4.1許用應(yīng)力

根據(jù)《規(guī)范》附錄2中4.4的規(guī)定，總強(qiáng)度計(jì)算的構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)不大于表1所列許用應(yīng)力。

表1許用應(yīng)力（MPa）

4.2應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及分析

基于本文3.5中兩種邊界條件的全船板單元等效應(yīng)力分布云圖分別見(jiàn)圖2、圖3，各構(gòu)件的應(yīng)力結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

（1）從圖2、圖3中可以看出，采用兩種邊界條件所得的應(yīng)力分布情況相同。

（2）從表2中可以看出，采用兩種邊界條件所得的應(yīng)力結(jié)果基本相同。本船所有構(gòu)件的計(jì)算應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，因此可認(rèn)為本船總強(qiáng)度能滿足《規(guī)范》要求。

表2兩種邊界條件的應(yīng)力結(jié)果匯總（MPa）

圖2《規(guī)范》邊界條件全船板單元等效應(yīng)力云圖

圖3慣性釋放邊界條件全船板單元等效應(yīng)力云圖

4.3變形計(jì)算結(jié)果及分析

基于本文3.5中兩種邊界條件的全船變形云圖分別見(jiàn)圖4、圖5。很顯然，采用《規(guī)范》邊界條件得到的變形云圖與實(shí)際情況不符，采用慣性釋放邊界條件得到的變形云圖顯得更加直觀且與實(shí)際情況相吻合。

圖4《規(guī)范》邊界條件全船變形云圖

圖5慣性釋放邊界條件全船變形云圖

5結(jié)論

（1）對(duì)于高速船來(lái)說(shuō)，其線型復(fù)雜且變化較快，為保證船體在外載荷作用下處于平衡，在施加載荷時(shí)建議采用等效為系列集中力的方式進(jìn)行加載。

（2）采用文中所述兩種邊界條件所得的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果基本相同，對(duì)評(píng)價(jià)船體總強(qiáng)度來(lái)說(shuō)兩者并無(wú)差異。但慣性釋放的方法處理邊界條件具有簡(jiǎn)便快捷等優(yōu)點(diǎn)，且計(jì)算所得的變形云圖與實(shí)際情況更吻合，因此建議采用此方法。

（3）本文所述的載荷加載方法及邊界條件的設(shè)置，同樣適用于其它同類高速船總強(qiáng)度直接計(jì)算。

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工程, 2004 (4)

作者簡(jiǎn)介：陳南華(1982- )，男，工程師。主要從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2014-01-09