砰擊載荷作用下氣墊船船底結構瞬態響應分析

李建彰，任慧龍，劉 寧，汪 薔，劉磊磊

(哈爾濱工程大學 船舶與海洋工程力學研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

砰擊載荷作用下氣墊船船底結構瞬態響應分析

李建彰，任慧龍，劉 寧，汪 薔，劉磊磊

(哈爾濱工程大學 船舶與海洋工程力學研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

采用有限元計算軟件MSC.Patran對某氣墊船首部船底結構進行瞬態響應分析，對加筋板懸掛式結構及常規切口式船底結構分別建立有限元模型，計算2種船底結構在受波浪砰擊載荷下的瞬態響應特征，從其局部強度和局部振動特性對比分析得到抗砰擊效果較好的氣墊船船底結構，為該型艇的結構設計提供參考。

氣墊船；砰擊載荷；懸掛式結構；切口式結構；瞬態響應

0 引 言

氣墊船在惡劣海況下迎浪航行時，由于首部船底出水或上浪等原因，船首底部會受到劇烈的波浪砰擊載荷作用，在砰擊瞬時，底部受到巨大的沖擊力，船體的垂向加速度會突然增加，并且緊接著出現高頻振動[1]。嚴重的砰擊，一方面使砰擊區域承受巨大壓力，局部結構發生破壞，另一方面將引起整個船體劇烈的顫振，產生較大的振動彎矩，當與低頻波浪彎矩疊加，可能導致船舶總縱強度喪失。隨著氣墊船航速的不斷提高，因底部砰擊而造成的局部或者整體結構破壞的事例越來越多，該問題更加突出，因此在氣墊船結構設計中應該考慮到船底結構在砰擊載荷作用下的動力響應特征，校核船舶結構在砰擊載荷作用下的強度成為船舶設計安全標準之一[2]。

目前國內氣墊船的建造技術逐漸成熟，在氣墊船的建造過程中為了減輕艇體重量，提高建造效率，減小焊接變形，對大型氣墊船內部結構采用加筋板懸掛式結構。中國船級社在《海上高速船入級與建造規范》(2005)也提出了加筋板結構形式[3]。但是在氣墊船高速航行狀態下，加筋板懸掛式船底與常規縱骨架切口式船底結構的抗沖擊性能缺少對比，對氣墊船船首底部結構形式缺乏參考指導。砰擊載荷是一種瞬態載荷，其特點是強度較大，但作用時間較短，因此船底板結構在砰擊載荷作用下的響應是瞬態動力響應[4]。本文采用通用有限元軟件MSC.Natran分別對加筋板懸掛式結構與常規縱骨架切口式結構在這種瞬態載荷作用下進行瞬態響應分析，比較分析2種結構在瞬態載荷下的瞬態響應特征，選擇一種抗砰擊效果較好的氣墊船船底結構形式。

1 瞬態動力響應分析基本理論

瞬態響應分析求解的基本運動方程為

式中：[M]、 [B]、 [K]分別為質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；{P(t)}為外載荷列陣；{u(t)}為位移矢量。

外力取3個臨近時間點的平均值，得到運動方程如下：

合并同類項，運動方程寫為

[A1]{un+1}=[A2]+[A3]{un}+[A4]{un-1}。

2 砰擊載荷的計算

氣墊船砰擊載荷作用形式按照Ochi等提出的三角形脈沖載荷理論，在砰擊周期內，砰擊載荷由0達到最大值，然后由最大值回到0[5]，作用形式見圖1。

根據《海上氣墊船入級與建造規范》中給出的氣墊船首沖波浪沖擊壓力的確定方法，計算得到波浪沖擊壓力

Pb=acgb×Δ，kN；

圖1 砰擊載荷/PaFig.1 Slamming load/Pa

3 船底結構的瞬態動力響應分析

懸掛式結構是指桁材擱置并焊接在整體壁板加強筋上，而沒有直接與船體外板焊接；常規的切口式結構則是桁材直接與船體外板焊接[6]。

為了保證2種船底板結構形式具有實用參考價值，現以某氣墊船為母型船來確定其結構尺寸。根據母型船底部結構資料，船底外板采用鋁合金加筋板。所選切口式船底結構尺寸如下：首底部板材帶有10道T40×40×4×5縱骨，3道T120×120×4×6橫梁，縱骨間距為200mm，橫梁間距為1 000mm，船底板厚為4mm。所選懸掛式船底結構尺寸如下：首底部板材帶有10道T40×40×4×5縱骨，3道I105×40×4×6橫梁，縱骨間距為200mm，橫梁間距為1 000mm，船底板厚為4mm,且每隔1根縱骨設置連接件。

采用有限元軟件MSC.Patran/Nastran分別對2種船底結構進行建模計算，如圖2和圖3所示。邊界條件為四周剛性固定，取10個周期的瞬態動力響應進行分析。砰擊載荷為分布在船底板的面載形式。本文的分析目標為2種船底板結構的局部強度與局部振動特性。

圖2 切口式船底結構Fig.2 Regular open cut structure

圖3 懸掛式船底結構Fig.3 Hanging structure

3.1 局部強度分析

3.1.1 板架板的最大位移處位移響應比較

在砰擊載荷作用下的板架板的最大位移處位移響應如圖4和圖5所示，可以看出：① 切口式船底板架板的位移幅值要比懸掛式船底板架板的位移幅值小40%；② 切口式船底板架板的位移響應比懸掛式結構板架板的位移響應相對穩定。

圖4 切口式船底板架板位移幅值Fig.4 The plate displacement amplitude of regular open cut structure bottom plate grillage

圖5 懸掛式船底板架板位移幅值Fig.5 The plate displacement amplitude of hanging structure bottom plate grillage

3.1.2 板架骨材的最大位移處位移響應比較

在砰擊載荷作用下的板架骨材的最大位移處位移響應如圖6和圖7所示，可以看出：① 切口式船底板架骨材的位移幅值要比懸掛式船底板架骨材的位移幅值小50%；② 切口式船底板架骨材的位移響應比懸掛式結構板架骨材位移響應相對穩定。

圖6 切口式船底板架骨材位移幅值Fig.6 The frame displacement amplitude of regular open cut structure bottom plate grillage

圖7 懸掛式船底板架骨材位移幅值Fig.7 The frame displacement amplitude of hanging structure bottom plate grillage

3.1.3 板架板的最大位移處VonMises應力比較

在砰擊載荷作用下板架板的最大位移處VonMises應力如圖8和圖9所示，可以看出：① 切口式船底板架板的最大位移處VonMises應力的幅值要比懸掛式船底板架要小19%；② 切口式船底板架板的最大位移處VonMises應力響應比較規律，呈穩態分布，而懸掛式船底板架的最大位移處VonMises應力響應變化比較大。

圖8 切口式船底板板Von Mises應力幅值Fig.8 The plate Von Mises stresss amplitude of regular open cut structure bottom plate grillage

圖9 懸掛式船底板板Von Mises應力幅值Fig.9 The plate von mises stresss amplitude of hanging structure bottom plate grillage

3.1.4 板架骨材的最大位移處VonMises應力比較

在砰擊載荷作用下板架骨材的最大位移處VonMises應力如圖10和圖11所示，可以看出：① 切口式船底板架骨材的最大位移處VonMises應力的幅值要比懸掛式船底板架要小58.33%；② 切口式船底板架骨材最大位移處VonMises應力響應比較規律，呈穩態分布，而懸掛式船底板架的最大位移處VonMises應力響應變化比較大。

圖10 切口式船底板骨材Von Mises應力幅值Fig.10 The frame Von Mises stresss amplitude of regular open cut structure bottom plate grillage

圖11 懸掛式船底板骨材骨材Von Mises應力幅值Fig.11 The frame Von Mises stresss amplitude of hanging structure bottom plate grillage

3.2 局部振動特性分析

氣墊船首底部結構在砰擊載荷的激振力作用下，必然會產生不同程度的振動。當激振幅值過大或者激振幅值不算太大，但卻激起局部結構共振，從而造成振動響應過大，產生有害振動，有害的局部振動，不僅會影響船上設備的正常工作，有時還會引起局部結構損傷[7]。所以在設計階段應及時發現振動隱患，避免共振現象的產生，避免共振產生的關鍵是船底結構的固有頻率與砰擊載荷的頻率不在一個相同或者相近的頻率范圍內。

本文通過有限元方法進行了懸掛式和切口式2種船底結構的模態計算，列出并比較了2種船底結構的一階垂向振動、一階扭轉振動和二階垂向振動的固有振型和頻率，結果如圖12和圖13所示。

由計算可知，砰擊載荷的周期為T=0.06 s，所以f=1/T=16.7 Hz。根據《船上振動控制指南》要求，當激振力頻率和固有頻率的比值γ越接近1時越容易發生共振現象，且一階垂向振動為主要的振動相，所以由上述2種船底結構的固有頻率可知，雖然2種結構的頻率范圍相差不大，但是切口式的船底結構較懸掛式船底結構更能有效防止共振現象的產生。

4 結 語

本文以典型氣墊船船首結構為例，通過對懸掛式船首底部結構與切口式船首底部結構在局部強度與局部振動特性方面進行計算分析，對以后該型氣墊船首底部結構設計提出以下建議：

1)在首沖狀態下氣墊船船首底部的中部區域是受砰擊載荷嚴重的區域，切口式船底結構連接形式比較緊密，而在懸掛式船底結構中橫梁腹板高度比較大，造成橫梁面板應力較大，建議采用切口式船底結構來保證首部船底的結構強度；

2)在設備區域，為了更有效地防止共振對影響設備的正常工作，建議采用切口式結構。此外，在懸掛式結構中，桁材擱置并只焊接在整體壁板的加強筋上，在強振區域，桁材與加強筋的連接點應力集中系數被放大，因此在強振區建議采用切口式結構；

3)對局部強度要求不高的區域，為了建造方便，提高氣墊船的建造效率，減小焊接變形，可以采用懸掛式結構；

4)從其局部強度方面分析可知，在受砰擊載荷較為嚴重的區域，常規縱骨架切口式結構的抗砰擊性能更好，對氣墊船的總強度問題也有積極意義。

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Transient response analysis on bottom structure of the air cushion vehicle under slamming load

LI Jian-zhang,REN Hui-long,LIU Ning,WANG Qiang,LIU Lei-lei

(Institute of Naval Architecture and Ocean Engineering Mechanics,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

The transient response on bottom structure of the air cushion vehicle under slamming load is calculated in this paper to compare stiffened plate hanging structure with regular open cut structure separately founded and calculated by finite element software Patran. The better bottom structure of air cushion vehicle to resist slamming has been gained in the aspects of local strength and local vibration character, furthermore, the reference has been applied to the air cushion vehicle structure design.

air cushion vehicle;slamming load;hanging structure;regular open cut structure;transient response

2013-06-13；

2013-07-19

李建彰(1989-)，男，碩士研究生，主要從事全墊升氣墊船結構強度評估研究。

U661.943

A

1672-7649(2014)03-0024-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.03.005