浮橋艇結構強度直接計算分析

王馳明，章新智，李寒林，郭 昂

（1.廈門船舶重工 總工辦，福建廈門 361026；2.集美大學 輪機學院，福建廈門 361021；3.中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 430064）

浮橋艇結構強度直接計算分析

王馳明1，章新智1，李寒林2，郭 昂3

（1.廈門船舶重工 總工辦，福建廈門 361026；2.集美大學 輪機學院，福建廈門 361021；3.中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 430064）

采用直接計算方法，利用有限元分析軟件MSC.patran/Nastran建立浮橋艇有限元模型，對船體、橫梁、螺栓等主要結構進行評估，并依據CCS有關規范和指南進行衡準，結果表明滿足規范結構強度要求。

浮橋艇；直接計算；屈服強度

0 引言

浮橋艇（圖1）是一種支撐在浮動結構上的艇。支撐浮橋艇體的浮動結構有浮筒、浮箱、圓柱形金屬管或氣脹式U形橡膠。該艇可用于我國江河、湖泊等平靜水域的旅游、觀光等。中國船級社《2012游艇建造與入級規范》[1]、《2012內河高速艇入級與建造規范》[2]等規范均未對鋁制艇、螺栓構建給予規范建造和計算說明，使得浮橋艇在國內很難取得設計、制造認可。為探討和分析浮橋艇船體結構強度及螺栓連接強度，本文采用加載波浪載荷方法和雙體船規范直接計算方法，對其船體、結構和螺栓進行詳細分析。

圖1 浮橋艇實船照片

1 計算模型

1.1 結構型式

浮橋艇，船體采用高強度的鋁材焊接而成，采用兩個U浮筒作為艇體的雙體結構，每個浮筒設置兩道水密艙壁板，浮筒底部設置一道外龍骨，浮筒頂部兩側設置兩道支柱縱梁，作為甲板橫梁的連接構件，艇共設置13道甲板橫梁（包括船艏彎橫梁），每道橫梁采用不銹鋼螺釘與支柱縱梁連接。浮筒兩側分別設置一道裙邊，作為裝飾及擋水用。

1.2 艇體材料

1.3 主要參數

總長為7.98m；水線長7.38m；型寬2.56m；型深0.77m；吃水0.36m；排水量2.48t；主機功率110.25kW。

1.4 計算模型

1.4.1 模型范圍

取本船主要承力結構構件建立三維有限元模型，包括整個片體結構、支柱縱桁、甲板橫梁、螺栓等，如圖2所示。由于甲板為膠合板，考慮其并不能有效承力，模型中未進行考慮，這樣為偏危險處理；片體圍裙主要起裝飾和防水作用，模型也未考慮；模型中盡量按照設計圖紙的要求考慮各種構件上的各種構造細節，如螺栓連接、間斷焊等。

圖2 浮橋艇結構計算模型

1.4.2 單元和規模

模型中主要采用單元為：

1）板殼單元：模擬片體板，橫艙壁，連接橋，橫梁，螺栓，等。

2）梁單元：模擬片體底部龍骨，肋骨，等。1.4.3 模型規模

計算模型中共有45788個節點，53126個單元，其中bar單元1966，tri單元15738，Quad單元35422。

2 計算工況

本次計算采用加載波浪載荷和雙體船直接計算方法[3]，分別如下：

2.1 計算工況1

在結構強度計算分析時，設定排水量不變。按內河B級航區（波高1.2m）計算波浪載荷。考慮到本船主要依靠甲板橫梁連接兩片體的特點，在選取波浪參數時需著重考察甲板橫梁強度和螺栓連接強度。由于本船的排水量和重量分布在船長方向，分布相對平均，故選取中拱或中垂波浪的差別不大。

在強度計算中，波浪參數分別考慮了靜水、迎浪中拱、一個片體在波峰及另一個片體在波谷的橫浪、斜浪中垂4種可能遇到的（不利）波浪條件。計算工況載荷組合說明如表1所示。

表1 計算工況載荷組合

2.2 計算工況2

計算載荷參考《鋼質內河船舶建造規范（2009）》14.6.2雙體船結構強度計算規定要求。計算工況載荷說明如表2、表3所示，計算工況載荷組合說明如表4所示。

其中：?為雙體船的排水量，t；S為航區系數。

表2 雙體船連接橋垂向力

式中：Ca為水線面修正系數；b1和b分別為雙體船片體寬度和連接橋寬度，m；d為滿載吃水，m；r為計算半波高，m；L為雙體船的船長，m；?為雙體船排水量，t。

表3 雙體船扭矩計算

表4 計算工況載荷組合

3 計算強度和校核

參考《鋼質內河船舶建造規范（2009）》14.6.5.1的規定[4]，鋼質內河雙體船總強度分析中的計算應力應小于《鋼質內河船舶建造規范》的表14.3.6.6所列的許用應力。考慮本船材料為合金鋁，對應合金鋁的許用應力應在鋼質內河船舶建造規范的基礎上根據普通鋼的屈服極限（235MPa）與合金鋁屈服極限進行一個換算，得到相應鋁的許用應力[5]。《鋼質內河船舶建造規范》鋼制內河雙體船中沒有螺栓的許用應力，參考廠家給出的螺栓拉力556，對316不銹鋼螺栓屈服極限和剪切力進行換算，得到螺栓的許用應力（表5），其中板許用應力折算系數為0.7，螺栓剪力與抗拉強度關系且其安全系數取1.5。

表5 板單元σe應力結果(MPa)及強度校核

3.1 工況1下屈服強度

各種狀況下，計算得到的各種構件板單元形心處應力的結果匯總如表5所示。各種計算工況下模型范圍內全部結構板單元的相當應力云圖如圖3所示。模型中使用梁單元來模擬的構件為片體龍骨[6]，四個工況下最大梁單元軸心應力為94.7MPa，螺栓最大屈服應力為365MPa，最大剪切應力為333MPa滿足要求。

3.2 工況2下屈服強度（表6）

工況2下板單元σe應力結果及強度校核結果如表6所示。

圖3 全船模型板單元形心Von Mises應力(MPa)

表6 板單元σe應力結果(MPa)及強度校核

剪切和扭轉工況下模型范圍內全部結構板單元的相當應力云圖σe如圖4所示。模型中使用梁單元來模擬的構件為片體龍骨，扭轉工況下最大梁單元軸心應力為86.4MPa，螺栓最大屈服應力為318MPa，最大剪切應力為183MPa滿足要求。

圖4 全船模型 板單元形心Von Mises 應力(MPa)

3.3 螺栓分析

3.3.1 模型范圍

取本船螺栓結構構件建立三維有限元模型，如圖5～圖8所示。

圖5 螺栓和板連接三維圖

圖6 螺栓網格模型

圖7 甲板邊構件網格模型

圖8 橫梁構件網格模型

3.3.2 單元和網格

模型中主要采用實體（solid）單元模擬甲板邊、橫梁邊、螺栓等。

模型規模：模型1共有13117個節點，11664個單元（其中hex單元11508，wedge單元156）；模型2共有4149個節點，2716個單元（其中hex單元2386，wedge單元330）；模型3共有5820個節點，3826個單元（其中hex單元3496，wedge單元330）。

3.3.3 載荷（表7）

表7 計算工況載荷組合

計算模型中考慮螺栓受力狀態力學模型如下：

1）選取A點為支撐，C點施加力，求取B點力。如圖9所示。

2）選取B點為支撐，C點施加力，求取C點受力。如圖10所示。

圖9 外螺栓受力圖

圖10 內螺栓受力圖

其N=max{N1，N2}，其中F為梁所受垂向力，根據∑Fi=F，求解垂向力。

計算工程中考慮船體橫梁主要承力構件（圖11），藍色橫梁共14根。

圖11 主要承力構件

因此考慮上述情況：N1=540N，N2=765.8N。各種工況下，計算得到的各種構件板單元形心處應力的結果匯總如表8所示。

表8 板單元σe應力結果(MPa)及強度校核

各種工況下模型范圍內全部結構板單元的相當應力云圖σe如圖12～圖14所示。

圖12 應力強度圖

圖13 應力強度圖

圖14 應力強度圖

4 結論

針對浮橋艇船體結構強度及螺栓連接強度，本文利用有限元分析軟件MSC.patran/Nastran建立浮橋艇有限元模型，采用加載波浪載荷方法和雙體船規范直接計算方法，依據CCS有關規范和指南進行衡準，結果表明：

1）采用加載波浪力方法，依據結構設計圖紙建立了全船有限元模型，參考CCS《鋼質內河船舶建造規范》（2009）和廠家提供螺栓拉力強度，考慮本船正常工作時的重量，按B級航區確定總強度計算中的舷外水壓力，對本船正常航行在靜水、迎浪中拱、一個片體在波峰及另一個片體在波谷的橫浪、斜浪中垂4種可能遇到的（不利）波浪條件的結構應力水平進行直接計算和強度評估。應力計算結果表明：船體所有構件上板單元形心Von Mises應力在規范規定的許用應力范圍內，裕度較大，滿足強度要求；船體梁單元（片體龍骨）形心軸向應力也滿足強度要求；船體螺栓單元形心Von Mises應力在廠家提供報告許用應力范圍內，滿足使用要求；船體在斜浪工況下螺栓單元形心剪切應力接近許用應力值，為偏危狀態。

2）采用雙體直接計算方法應力計算結果表明：本船所有構件上板單元形心Von Mises應力在規范規定的許用應力范圍內，裕度較大，滿足強度要求；本船梁單元（片體龍骨）形心軸向應力也滿足強度要求；本船螺栓單元形心Von Mises應力在廠家提供報告許用應力范圍內，滿足使用要求。

3）螺栓直接分析應力計算結果表明：本船螺栓單元形心Von Mises應力在廠家提供報告許用應力范圍內，滿足使用要求。

[1] 中國船級社. 游艇入級與建造規范[M]. 北京: 人民交通出版社, 2012.

[2] 中國船級社. 內河高速艇入級與建造規范[M]. 北京:人民交通出版社, 2012.

[3] 王杰德, 楊永謙. 船體強度與結構設計[M]. 北京: 國防工業出版社, 1995.

[4] 中國船級社. 鋼質內河船舶建造規范[M]. 北京: 人民交通出版社, 2009.

[5] 張少雄, 楊永謙. 船體結構強度直接計算中慣性釋放的應用[J]. 中國艦船研究, 2006(2): 40-43.

[6] 王勖成, 邵敏. 有限單元法基本原理和數值方法[M].北京: 清華大學出版社, 2002.

Direct Calculation of Structural Strength of the Pontoon Boat

Wang Chi-ming1, Zhang Xin-zhi1, Li Han-lin2, Guo Ang3

(1. Chief Engineer's Office, Xiamen Shipbuilding Industry Co., Ltd., Fujian Xiamen 361026, China; 2.Marine Engineering Institute, Jimei University, Fujian Xiamen 361021, China; 3.China Ship Scientific Research Center, Jiangsu Wuxi 430064, China)

Aiming at the structural strength of the hull, beam and bolt, direct strength calculation is carried out according to the Guidelines for Direct Strength Analysis of CCS rules, the FEA software MSC. Patran and MSC. Nastran are applied to calculate directly the structural strength of pontoon boat. The result of strength assessment shows it meets the requirements of the rules.

pontoon boat; direct calculation; yield strength

U674.91

A

1005-7560 (2014) 05-0051-05

王馳明（1985-），男，助理工程師，主要從事新型船舶研發設計與制造。