周 成， 王志永，程海剛

(1.無(wú)錫東方船研高性能船艇工程有限公司，江蘇 無(wú)錫 214082；2. 陸軍裝備部駐沈陽(yáng)地區(qū)軍事代表局駐哈爾濱地區(qū)第二軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引言

海上風(fēng)力發(fā)電作為可再生資源開(kāi)發(fā)的重要方向之一，已成全球關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著海上風(fēng)電設(shè)施不斷的投入運(yùn)營(yíng)，運(yùn)維船作為專門用于風(fēng)電場(chǎng)日常維護(hù)的船舶，需求量將逐漸增加[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上風(fēng)電運(yùn)維船以專業(yè)雙體船較為適用。該船型具有興波阻力小、甲板面積大、穩(wěn)性好等優(yōu)點(diǎn)。與單體船相比，雙體船不僅要承受縱向彎曲力矩，同時(shí)在連接橋與片體連接處，特別是首尾抗扭箱處還要承受非常大的橫向彎曲力矩和扭矩，因此連接橋與片體連接處的強(qiáng)度是雙體船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。高速船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能預(yù)留較大的安全余量，應(yīng)該在應(yīng)力較大位置作合理的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，這樣才能既保證強(qiáng)度滿足規(guī)范的要求，又能控制住空船重量。

本文以29.6 m高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船抗扭箱與片體連接處的結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行總橫強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度核算。

1 船型特點(diǎn)和主要參數(shù)

29.6 m高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船為艉機(jī)型、雙柴油機(jī)、雙全回轉(zhuǎn)導(dǎo)管舵槳推進(jìn)的常規(guī)雙體船型，用于風(fēng)力發(fā)電廠風(fēng)機(jī)的日常維護(hù)。全船設(shè)置二層甲板，服務(wù)航區(qū)為近海，抗風(fēng)等級(jí)為7級(jí)。除大霧等特殊氣候條件外，該船需滿足6級(jí)風(fēng)2 m浪頂靠樁的要求?？坎捶绞綖轫斂匡L(fēng)機(jī)樁柱，側(cè)靠升壓站。為了控制重量，主船體采用CCS-A鋼板，上層建筑板材采用5083-H116鋁合金，鋼材和鋁材之間用鋼鋁過(guò)渡接頭連接。主船體采用縱骨架式結(jié)構(gòu)，連接橋設(shè)計(jì)時(shí)中部采用單甲板橫骨架式結(jié)構(gòu)，在艏部及艉部設(shè)抗扭箱。該船主要尺度參數(shù)如下：

總長(zhǎng)28.13 m，計(jì)算船長(zhǎng)28.13 m，型寬8.40 m，片體寬2.60 m，計(jì)算型深3.10 m，設(shè)計(jì)吃水1.61 m，最大航速16.1 kn，坐標(biāo)肋距0.6。

2 有限元模型

本文運(yùn)用MSC.Patran軟件進(jìn)行建模，用Nastran進(jìn)行計(jì)算分析。全船模型范圍：寬度范圍覆蓋整船型寬，縱向范圍覆蓋整個(gè)船長(zhǎng)，垂向范圍為基線到主甲板及升高甲板。建模時(shí)， 船底板、舷側(cè)外板、內(nèi)舷板、艙壁板、甲板等平板結(jié)構(gòu)用板單元模擬；實(shí)肋板、中內(nèi)龍骨、甲板縱桁、強(qiáng)橫梁腹板、連接橋強(qiáng)橫梁、縱桁腹板、舷側(cè)桁材腹板、艙壁桁材等腹板用板單元模擬，面板用梁?jiǎn)卧M；普通骨材用梁?jiǎn)卧M。依據(jù)規(guī)范，該船上層建筑不計(jì)入總強(qiáng)度，因此此次計(jì)算中不建立上層建筑部分。模型長(zhǎng)度單位：mm。主船體材為CCS-A，鋼材彈性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3。主船體三維結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 主船體結(jié)構(gòu)三維模型

圖2 主船體強(qiáng)框架三維模型

3 設(shè)計(jì)載荷及邊界條件

3.1 計(jì)算載荷

根據(jù)《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范》[3](2015)(簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)要求，應(yīng)校核29.6 m高速雙體風(fēng)電運(yùn)維雙體船在波浪中高速航行時(shí)的總橫強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，相關(guān)載荷結(jié)果匯總見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算載荷

3.2 等效載荷

計(jì)算載荷以等效載荷的方式施加在有限元模型上。等效方式按如下方式處理：

(1)橫向?qū)﹂_(kāi)力：在連接橋長(zhǎng)度范圍內(nèi)將橫向?qū)﹂_(kāi)力轉(zhuǎn)化為均布載荷施加在距基線約0.5倍設(shè)計(jì)吃水高度外板上。載荷實(shí)際施加時(shí)將均布載荷均分成多段，并等效成集中力施加于附近節(jié)點(diǎn)上。等效載荷q按式(1)計(jì)算：

q=Fy/Lb

(1)

式中：q為等效載荷，kN/m；Fy為橫向?qū)﹂_(kāi)力，kN；Lb為連接橋縱向長(zhǎng)度，m。

(2)橫向扭矩：扭矩以片體半船長(zhǎng)上反對(duì)稱分布的均布載荷等效P按式(2)計(jì)算[4]：

P=4Mty/L2

(2)

式中：Mty為橫向扭矩，kN·m；L為計(jì)算船長(zhǎng),m。

載荷實(shí)際施加于片體舷側(cè)，以等效集中力形式施加于舷側(cè)節(jié)點(diǎn)上。

3.3 工況組合載荷

根據(jù)《規(guī)范》要求，對(duì)本船的總橫強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度等進(jìn)行校核，計(jì)算工況如下：

工況1：Fy(向舷外)

工況2：Fy(向舷內(nèi))

工況3：0.8Fy(向舷外)+0.6Mty

工況4：0.8Fy(向舷內(nèi))+0.6Mty

工況5：0.6Fy(向舷外)+0.8Mty

工況6：0.6Fy(向舷內(nèi))+0.8Mty

3.4 邊界條件

根據(jù)《規(guī)范》附錄2(高速船船體結(jié)構(gòu)計(jì)算指南)要求，考慮不同工況下的特殊情況分別設(shè)置約束條件。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，建議的約束模式見(jiàn)圖 3、圖4。建模時(shí)約束A點(diǎn)的x、y、z3個(gè)位移分量，約束B(niǎo)點(diǎn)的y、z位移分量和約束C點(diǎn)的z向分量。圖中：x方向?yàn)榇w的縱向，向船首方向?yàn)檎?；y方向?yàn)榇w的橫向，向左舷為正；z方向?yàn)榇w的垂向，向上為正。

圖3 工況1、工況2型邊界條件

圖4 工況3～工況6型邊界條件

4 強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《規(guī)范》附錄 2 要求，總強(qiáng)度計(jì)算的構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)不大于附錄2中表 4.4 所列許用應(yīng)力。本船采用CCS-A，其屈服強(qiáng)度為235 MPa，板單元等效應(yīng)力許用值164.5 MPa，剪切應(yīng)力許用值89.3 MPa。工況1、工況2應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5，工況3～工況6應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6。

從有限元分析結(jié)果可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在首尾連接橋抗扭箱與內(nèi)殼板角隅連接處，以及橫艙壁與內(nèi)殼板角隅連接處。對(duì)該區(qū)域內(nèi)所有單元嵌入局部網(wǎng)格細(xì)化，細(xì)化網(wǎng)格大小不超過(guò)50 mm×50 mm，模型中細(xì)化部分的應(yīng)力見(jiàn)圖7。根據(jù)附錄中表6.4，細(xì)化后的板單元等效應(yīng)力為1.2σsw(σsw為材料焊接后的屈服強(qiáng)度)，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 工況1、工況2應(yīng)力云圖

表2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力匯總表 單位：MPa

5 結(jié)論

(1)本船最大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在首尾連接橋抗扭箱與內(nèi)殼板角隅連接處，以及橫艙壁與內(nèi)殼板角隅連接處。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)內(nèi)殼板角隅處的結(jié)構(gòu)予以適當(dāng)加強(qiáng)，對(duì)于應(yīng)力集中區(qū)艙壁及板角隅板材進(jìn)行加厚處理。

(2)出現(xiàn)局部區(qū)域應(yīng)力超出許用值范圍情況時(shí)，采用局部區(qū)域細(xì)化模型。這不但保證了船舶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求，而且避免了對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行大范圍的加強(qiáng)，為船舶空船重量的控制提供了有力的保證。

圖6 工況3～工況6應(yīng)力云圖

圖7 嵌入細(xì)化網(wǎng)格的有限元模型(局部)