28m巡邏艇局部結構設計分析

王世杰

(江蘇省船舶設計研究所有限公司,江蘇鎮江 212003)

1 28m巡邏艇概況

28 m巡邏艇是在千島湖水域使用的公務巡邏艇,兼具游艇的功能,屬于雙站式駕駛,在2層前端為室內駕駛臺,在游步甲板前方設有室外駕駛臺,室內室外均可以駕駛本船。其外觀造型介于公務艇和游艇之間;內部功能艙室錯落有致,布置格局具備私家游艇的特色,功能艙室比較多,主甲板以下中部也布置了較多的生活艙室。這就要求在結構設計時,主甲板強構件尺寸既要滿足強度要求,又要做到構件的總高度值盡可能的小,以滿足主甲板以下生活艙室對高度的需求。本船的總體布置圖見圖 1。

圖1 28m巡邏艇總布置圖

2 主甲板強構件常規設計分析

本船的主體結構大部分是按CCS《鋼質內河船舶建造規范》(2009)(簡稱“規范”)的要求進行設計的。但是在Fr5～Fr41之間的甲板結構是采用有限元直接計算確定的。此處的甲板結構見圖 2。

圖2 甲板結構圖

此段強力甲板為橫骨架式,按照“規范”第 1篇第 8節的規定,橫骨架式強力甲板縱桁的剖面模數W應不小于按下式計算所得之值:

式中:W為剖面模數,cm3;k為系數,強力甲板取k= 0.03L+4.8=5.57,但應不小于5.7,本船取k= 5.7,其中L為結構計算船長,L=25.55 m;c為系數,對B級航區船舶強力甲板取1.2;h為甲板計算水柱高,強力甲板取0.5 m;b為甲板縱桁支承面積的平均寬度,在Fr5～Fr41之間,b=1.65 m;l為縱桁跨距,對強力甲板取橫艙壁(雙向橫桁架)之間跨距點的距離,在Fr5～Fr19之間,l=7.0m,在Fr22～Fr41之間,l=9.5m。

計算結果如下:

按“規范”要求,強橫梁取值與甲板縱桁相同。因此,在Fr5～Fr19之間的甲板縱桁和強橫梁,要選用T(8×200)mm/(10×105)mm,其剖面模數W′=282.3 cm3;Fr22～Fr41之間的縱桁和強橫梁,要選用腹板為T(8×280)mm/(10×105)mm,其剖面模數W′=545.01 cm3。可見按“規范”計算值來確定強構件,其總高度值較大。

本船的型深為2.8m,在Fr5～Fr41之間分別設有機艙和生活艙室。如果甲板強構件直接設置成 T (8×200)mm/(10×105)mm和T(8×280)mm/ (10×105)mm2種規格的T型材,則機艙和生活艙室的可利用高度會難以滿足實際使用需求。

按“規范”要求的公式來分析,主要原因是縱桁的跨距比較大,并且機艙段和生活艙室部分不允許設置橫向桁架,所以無法在結構設計方面減小縱桁的跨距。

為使縱桁構件即滿足強度要求又盡可能減小其高度,本船采用了直接計算方法來確定縱桁和強橫梁的尺寸,即用MSCPatran,MSCNastran程序進行有限元計算。為了計算準確,建立的模型為 Fr5～Fr41的整段立體模型。其有限元模型見圖 3、圖 4。

圖3 整體有限元模型

圖4 整體有限元模型板厚分布圖

3 有限元計算過程

3.1 結構模型

本段結構為左右對稱結構。模型范圍:縱向從Fr5至Fr41;橫向為整個船寬;垂向為整個型深。模型甲板、舷側板、舭列板、船底板、橫艙壁板、縱艙壁板、肋板以及各強構件腹板均采用二維三、四節點殼單元模擬,其他縱骨、橫梁、肋骨、艙壁扶強材以及強構件面板等用二節點梁單元模擬。本模型總節點數為 8 687,單元數為 12 836。

模型材料為鋼材:彈性模量2.06×105MPa,泊松比0.3,密度7.85 t/m3。

3.2 本船主甲板構件的實取尺寸

本文只對甲板構件的設計進行分析,此處只列出甲板構件的尺寸,見表 1。

表1 構件的尺寸

3.3 坐標系

本模型坐標系為:坐標系統的原點取在Fr5船體基線處。X軸指向船首為正,Y軸由原點指向左舷為正,Z軸垂直向上為正。

3.4 邊界條件

模型的兩端(簡稱A端和B端)均需約束,邊界約束條件圖如圖 5所示。詳細邊界條件見表 2。

表2 邊界條件

3.5 工況及載荷

根據“規范”和本船的穩性計算書,計算工況及載荷如下:

3.5.1 計算工況

根據邊防巡邏艇穩性計算書,計算工況見表 3 (B級航區的半波高為0.75m)。

3.5.2 載荷

3.5.2.1 滿載工況1

(1)滿載出港時,甲板載荷重量 ～12 t,作用在整個計算甲板平面上,甲板面積為 162.4 m2,換算的甲板壓力為724 Pa。

表3 計算工況表

(2)舷外水壓力Pwater:

基線處:Pwater=ρgH=ρg(d+hhalf-wave)

式中:ρ為水密度,ρ=1.0 t/m3;d為滿載吃水,d= 1.25 m;hhalf-wave為半波高,hhalf-wave=0.75 m;H為基線至水面的高度,設計吃水與半波高的和。

(3)考慮結構自重的影響。

3.5.2.2 滿載工況2

(1)滿載出港時,甲板載荷重量 ～12 t,作用在整個甲板平面上,換算的甲板壓力為724 Pa。

(2)舷外水壓力Pwater:

基線處:Pwater=ρgH=ρg(d-hhalf-wave)

(3)考慮結構自重的影響。

3.6 許用應力衡準

許用應力衡準是根據“規范”中第 14.7.6.1條選取,見表 4。σe為板單元相當應力;σz為梁構件單元節點合成應力;τ為板或梁構件剪切應力。

3.7 分析結果及結論

應力評估區域選取Fr7到Fr39。有限元分析應力結果匯總見表 5、表 6。從表 5、表 6可見,此處甲板結構有限元強度滿足“規范”要求。表中 σl為板單元中面沿長方向應力。甲板縱桁合成應力、剪切應力圖如圖 6～9所示。

表4 應力衡準表

表5 板材許用應力及計算結果 MPa

表6 骨材許用應力及計算結果 MPa

4 結論

根據以上計算結果,可知本船按計算方法校核的甲板強構件,其剖面尺寸滿足局部強度的要求。實踐證明,采用直接計算法確定的甲板強構件與參照“規范”設計確定的構件相比,可以使構件的尺寸做到盡可能的小。此處只列出了甲板處強構件的尺寸和計算結果。因此,在型深不變的情況下,本船主甲板以下的生活艙室,甲板縱桁和強橫梁采用∏型構件,其總高度為100mm,在保證可施工的前提下,強構件的高度做到了最小。在內底板高度為700 mm的條件下,艙室的使用高度為2.1m。

圖6 甲板縱桁合成應力(LC1)

圖7 甲板縱桁合成應力(LC2)

圖8 甲板縱桁剪切應力(LC1)

圖9 甲板縱桁剪切應力(LC2)