300t級高速船總強度直接計算

摘要：本文利用有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran對某300 t級高速船總強度進行直接計算，介紹了計算模型的建立過程、載荷加載方法及邊界條件的設置，并對計算結果進行了分析，可為同類高速船總強度直接計算提供一定的參考。

關鍵詞：總強度；直接計算；慣性釋放；有限元分析

中圖分類號：U663.2文獻標識碼：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

中國船級社《海上高速船入級與建造規范(2012)》（以下簡稱《規范》）對單體高速船直接計算提出了更嚴格的要求：對于船長大于50 m的單體船應進行全船結構強度的直接計算驗證。本文基于《規范》中高速船船體結構直接計算指南的要求，利用有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran對某300 t級高速船總強度進行了直接計算，介紹了計算模型的建立過程、載荷加載方法及邊界條件的設置，并對計算結果進行了分析，可為同類高速船總強度直接計算提供一定的參考。

2船舶概況

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

總長54.93m

計算船長 51.75m

型寬7.60m

型深4.20m

結構吃水 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，主船體及甲板室結構均在模型中予以表達，見圖1。總體坐標系取右手直角坐標系，原點取在船縱中剖面內尾垂線（#0）和基線相交處，x軸沿船長向首為正方向，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單元類型及模型規模

結構中的板材和主要支撐構件的腹板用板單元模擬；縱骨、主要支撐構件的面板、支柱等用梁單元模擬，并考慮各構件的實際截面和偏心。

模型網格尺寸縱向以肋距，橫向、垂向以縱骨間距為基準進行劃分。模型中共有26 024個節點，29 362個板單元，22 517個梁單元。

3.3材料參數

本船主船體為鋼結構，其中舷側板、船底板、舷側縱骨、船底縱骨為L907A，其余為B級鋼。鋼的彈性模量為2.06×105 MPa，泊松比為0.3，L907A焊接后的屈服強度為390 MPa，B級鋼焊接后的屈服強度為235 MPa。

甲板室結構材料為鋁合金，其中甲板及外圍壁使用帶筋板，牌號為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，焊接后的屈服強度統一取為115 MPa。

3.4載荷計算及加載

載荷計算根據《規范》有關規定進行。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可按下式計算：

kN·m （1）

代入相關參數計算,得到MB=±20427 kN·m（“+”為中拱，“－”為中垂）。

假設船體總縱彎矩沿船長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，分布曲線的幅值為船中橫剖面的總縱彎矩MBY。

M(x)可通過施加沿船長分布的垂向力q(x)實現，q(x) (向上為正)可按下式計算：

kN/m（3）

式中：kN/m （4）

由上述計算公式可知中拱、中垂彎矩值相同，因此只需選擇一種工況進行計算即可，本文選取中拱工況。由于本船線型變化較快且前后不對稱，如采用在計算模型上施加沿船長分布的垂向力，則容易產生不平衡力，從而對計算結果產生影響。本文通過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行加載，每個集中力等于分布力乘以該集中力加載區間的長度，加載后模型上所有的垂向力之和接近于零，其絕對值誤差不大于0.005 q0L。

3.5邊界條件

邊界條件的設置直接關系到計算結果的準確性，為此，《規范》使用6個位移分量約束限制全船模型的空間剛體運動，而不影響船體各部分的相對變形，其建議的邊界條件為：在縱中剖面上取首、尾各一點A和B，中部舷側取一點C；約束A點的x、y、z三個位移分量，約束B點的y、z二個位移分量和約束C點的z向分量。

在實際的計算過程中發現，采用上述邊界條件得到的全船變形云圖與實際情況有出入，為此筆者采用慣性釋放[3]的方法來處理邊界條件的問題。

慣性釋放是MSC. Nastran或ANSYS中的一個高級應用，允許對完全無約束的結構進行靜力分析。簡單地說，就是用結構的慣性(質量)力來平衡外力。盡管結構沒有約束，分析時仍假設其處于一種“靜態”的平衡狀態。采用慣性釋放功能進行靜力分析時，只需要對一個節點進行6個自由度的約束(虛支座)。針對該支座，程序首先計算在外力作用下每個節點在每個方向上的加速度，然后將加速度轉化為慣性力反向施加到每個節點上，由此構造一個平衡的力系(支座反力等于零)。求解得到的位移描述所有節點相對于該支座的相對運動。本文慣性釋放點設置在船中基線處，計算所得的全船變形即為相對于該點的變形。后文中將給出基于這兩種邊界條件所得到的應力計算結果及變形對比情況。

4計算結果及分析

4.1許用應力

根據《規范》附錄2中4.4的規定，總強度計算的構件應力應不大于表1所列許用應力。

表1許用應力（MPa）

4.2應力計算結果及分析

基于本文3.5中兩種邊界條件的全船板單元等效應力分布云圖分別見圖2、圖3，各構件的應力結果匯總見表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力結果基本相同。本船所有構件的計算應力均小于許用應力，因此可認為本船總強度能滿足《規范》要求。

表2兩種邊界條件的應力結果匯總（MPa）

圖2《規范》邊界條件全船板單元等效應力云圖

圖3慣性釋放邊界條件全船板單元等效應力云圖

4.3變形計算結果及分析

基于本文3.5中兩種邊界條件的全船變形云圖分別見圖4、圖5。很顯然，采用《規范》邊界條件得到的變形云圖與實際情況不符，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際情況相吻合。

圖4《規范》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結論

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

（2）采用文中所述兩種邊界條件所得的應力計算結果基本相同，對評價船體總強度來說兩者并無差異。但慣性釋放的方法處理邊界條件具有簡便快捷等優點，且計算所得的變形云圖與實際情況更吻合，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置，同樣適用于其它同類高速船總強度直接計算。

參考文獻

[1] 中國船級社. 海上高速船入級與建造規范[S]. 北京: 人民交通出版社,

2012.

[2] 劉兵山, 黃聰. Patran從入門到精通[M ]. 北京: 中國水利水電出版社,

2003.

[3] 張少雄, 楊永謙. 慣性釋放在油船結構強度直接計算中的應用[J]. 船舶

工程, 2004 (4)

作者簡介：陳南華(1982- )，男，工程師。主要從事船舶結構設計工作。

收稿日期：2014-01-09