曹 茜， 孟 巧， 劉天路 ，鄭 策

(南通理工學院 電氣與能源工程學院，江蘇 南通 226002)

0 引言

作為一種新型的海上運輸方式，噴水船具有淺吃水、附件阻力小、保護性能好等諸多優(yōu)點，其應(yīng)用范圍越來越廣泛[1]，在高速推進技術(shù)上的優(yōu)勢也逐漸顯現(xiàn)。由于噴水船在航行時船體所遭受的載荷以及結(jié)構(gòu)所承受的強度與普通船型有所不同，因此，在噴水船結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如何采用適當?shù)姆椒▽Υw強度進行精確的計算分析，并根據(jù)分析結(jié)果對船體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計顯得尤為重要。本文利用大型有限元分析軟件ANSYS對南通理工學院大創(chuàng)項目(xdc2018007)中自主設(shè)計的噴水推進船模的主船體強度進行仿真分析，計算出不同工況下噴水船的應(yīng)力分布，優(yōu)化主船體的局部結(jié)構(gòu)，根據(jù)中國船級社(CCS)《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》進行校核，為噴水船的模型設(shè)計提供技術(shù)指導和理論依據(jù)。

1 噴水船模介紹

本文設(shè)計的船模采用的是泵壓噴水推進，材質(zhì)為木材、ABS板，主船體外敷設(shè)玻璃鋼保持水密性。船模主尺度如下：

總長80 cm，型寬20.33 cm，形深8.64 cm，設(shè)計吃水4.5 cm。

首先在CAD軟件中對本船的橫剖線圖進行設(shè)計與調(diào)整。根據(jù)船體的板材形狀，依次進行板材創(chuàng)建，將型線圖中的橫剖線圖導入到三維建模軟件UG中使其三維化，利用UG軟件中的翻轉(zhuǎn)和偏移命令，將二維的型線圖三維化。船體表面結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維效果分別見圖1和圖2。三維模型完成后，保存成.stp格式，導入ANSYS Workbench中進行強度計算。

圖1 船體表面結(jié)構(gòu)三維圖

圖2 船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖

2 計算結(jié)果及分析

將建好的模型導入ANSYS Workbench之后，進行網(wǎng)格劃分、施加載荷、設(shè)置邊界條件、強度計算，最后對結(jié)果進行相應(yīng)分析。

2.1 網(wǎng)格劃分

在菜單欄中選擇網(wǎng)格選項中的創(chuàng)建網(wǎng)格，對船體甲板位置創(chuàng)建四面體網(wǎng)格，船體位置創(chuàng)建規(guī)則六面體網(wǎng)格，全局網(wǎng)格尺寸為10 mm。網(wǎng)絡(luò)劃分效果見圖3～圖5。

圖3 甲板位置網(wǎng)格劃分圖

圖4 船體外板網(wǎng)格劃分圖

圖5 整船網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件和載荷

為了消除剛性位移，必須對船體施加約束。為避免由于靜力不平衡導致約束點產(chǎn)生較大的支反力而影響計算結(jié)果，根據(jù)中國船級社(CCS)規(guī)范要求，本文選取4個遠離船中區(qū)域的點施加自由度約束：節(jié)點1在Y方向位移固定，節(jié)點2在X、Y、Z3個方向位移固定，節(jié)點3和4都在Z方向上固定，具體約束施加見圖6。

圖6 約束施加圖

本文主要選取空載出港和滿載出港2個工況作為研究工況。空船質(zhì)量主要由船模的木材、玻璃鋼等材質(zhì)的質(zhì)量和噴水泵的質(zhì)量組成?？沾|(zhì)量為2 kg簡化為均勻分布在船體的質(zhì)量力。為了計算方便，在船模上表面施加一個均布載荷q，滿載工況下簡化為船模表面多增加一個均勻分布的質(zhì)量為8 kg的物體。

2.3 結(jié)果分析

本文主要對空載和滿載2個工況進行強度仿真計算分析?？蛰d、滿載這兩種狀況下船體表面應(yīng)力分析分別見圖7、圖8。圖中可知，最大應(yīng)力發(fā)生在艉封板與主甲板的交點處，空載狀況下其最大值為2.240 5 MPa，滿載狀況下最大值為8.159 1 MPa?？蛰d、滿載狀況下船體表面形變分別見圖9、圖10。從圖中可知，最大變形發(fā)生在船體主甲板中部，空載狀況下其最大變形為0.032 58 mm，滿載狀況下最大變形為0.173 57 mm。

圖7 空載船體表面應(yīng)力分析圖

圖8 滿載船體表面應(yīng)力分析圖

圖9 空載船體表面形變圖

圖10 空載船體表面形變圖

由結(jié)果可知，最大應(yīng)力發(fā)生的位置是艉封板、主甲板和舷側(cè)的交點。由于設(shè)計模型時交點處沒有改成圓弧形，因此產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在進一步模型優(yōu)化時，要引起重視。由總變形結(jié)果得知，最大變形出現(xiàn)在船中部，這里也受到最大彎矩的作用。因此，為保證船體總縱強度，此處要加強結(jié)構(gòu)強度，可通過增加船體骨架的方法進行改善。

3 主船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對于本船船體的結(jié)構(gòu)而言，在船中部位上甲板出現(xiàn)較大變形，在艉封板與主甲板、舷側(cè)外板的交點處產(chǎn)生應(yīng)力集中。為減少最大應(yīng)力以及最大變形程度，嘗試添加縱向強力構(gòu)件及橫向構(gòu)件來降低這兩個數(shù)值。本例采取增加橫向構(gòu)件的方法來優(yōu)化結(jié)構(gòu)。依據(jù)變形圖以及應(yīng)力圖在應(yīng)力及變形程度較大的地方，即船體中部，對該位置的船體內(nèi)部均勻添加5個加強筋。其材質(zhì)與船體材質(zhì)相同，均為3 mm厚的木板。間距為60 mm，距離船首第一個加強筋位置為180 mm，沿船底縱向添加兩道縱骨。船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對比分別見圖11和圖12。

圖11 優(yōu)化前船型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖12 優(yōu)化后船型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

對優(yōu)化后的模型，同樣進行空載和滿載兩種工況下的總縱強度分析。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，各項數(shù)值經(jīng)過優(yōu)化后明顯降低(見表1)，但在滿載情況下，優(yōu)化后的最大應(yīng)力卻有所增加，此應(yīng)力增加的位置處于艉封板與主甲板的交點處。通過對結(jié)果分析可知，在有限元軟件分析過程中，對船體模型施加單點約束可能會出現(xiàn)應(yīng)力畸變現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是計算有限元本身可能出現(xiàn)的問題，所以導致了優(yōu)化后施加重物應(yīng)力變大的問題。在有限元分析過程中，定義邊界條件時對面進行約束是一種避免產(chǎn)生應(yīng)力畸變的一種有效措施。

在實際工程項目中單點的應(yīng)力增加一般不會產(chǎn)生較大影響，對整個構(gòu)件影響較大的主要是構(gòu)件的形變程度。經(jīng)過此次優(yōu)化，本船體的最大形變程度明顯降低，說明此優(yōu)化方案是可行的。

表1 船體最大應(yīng)力和最大變形對比

4 結(jié)論

本文通過對大學生創(chuàng)新項目中學生自主設(shè)計的噴水船模進行有限元仿真計算，分析其受力情況，并對空載及滿載2種工況下噴水船主船體結(jié)構(gòu)強度進行計算和分析，得到以下結(jié)論：

(1)本船為小型自主設(shè)計的船體模型。由于本船尺寸過小，所得的應(yīng)力對比以及船體的總形變并不顯著，但等比放大到大型船舶中，其實際應(yīng)力大小以及形變量經(jīng)過優(yōu)化后可能會大幅降低。本艘小型船模的受力分析以及優(yōu)化過程對實際船型具有一定的參考價值。

(2)經(jīng)過優(yōu)化后的船體主要體現(xiàn)在改變了部分結(jié)構(gòu)的布置。在船中位置上添加了5個加強筋及2道縱向構(gòu)件。通過有限元分析可知，空載以及滿載2個工況下優(yōu)化過后，應(yīng)力的分布發(fā)生了明顯的變化，優(yōu)化后的船體底板的變形也大大降低，大幅提高了船舶的結(jié)構(gòu)強度，說明此方案具有一定的可行性。

(3)本文只對舷外水壓力、空船質(zhì)量和貨物壓載進行有限元分析，其他的載荷在分析過程中尚未施加，如波浪載荷和流體載荷等因素尚未考慮。載荷因素應(yīng)該更符合實際受力情況，在今后研究中會進一步考慮。

(4)結(jié)構(gòu)優(yōu)化中只考慮了增加橫骨架來滿足強度要求，并沒有對增加縱向骨架的情況進行計算。課題后續(xù)研究中會著重考慮縱向骨架對強度的影響和2種骨架形式的強度對比，從而尋找更優(yōu)方案。