37m黃河雙體渡船總強度有限元分析

高書清，陶延武

(1.泰州海清船舶技術有限公司, 江蘇 泰州 225300；2.江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212003)

37m黃河雙體渡船總強度有限元分析

高書清1，陶延武2

(1.泰州海清船舶技術有限公司, 江蘇 泰州 225300；2.江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212003)

雙體船在風浪中航行時會遭受比較大的總橫彎矩和扭轉力矩的作用，為保證雙體船的安全性，有必要對其相關的強度進行分析。依據中國船級社《鋼質內河船舶建造規范》(2009)，采用有限元分析的直接計算法，對某雙體船的主船體及連接橋結構進行強度評估。計算結果表明，該船的結構滿足規范要求，并通過相關分析對結構的優化提出建議。

雙體船；渡船；總橫強度；扭轉強度；有限元

0 引言

雙體船是由2個相距一定距離的平行片體通過連接橋連接而成的特殊船體，具有甲板面積大，穩性好等優點[1]。因為雙體船的型寬相對單體船大，具有寬敞的艙室空間和較大的甲板面積，所以在客運業中具有突出的競爭優勢，經濟效益較高。另外，如果船型和雙體間距選擇合適，可使得雙體船相對于同用途單體船的興波阻力較小、航速較高[2]。本文研究的雙體船是黃河下游流域的雙體車客渡船，主要在浮橋拆除后用于車輛和行人在黃河兩岸的擺渡。

雙體船在風浪中航行時，2個片體除了受到和單體船類似的總縱彎矩作用外，還受到巨大的橫向彎曲力矩以及作用在連接橋處的扭矩[3]，這是由雙體船的結構特點決定的。本文將采用有限元分析方法對雙體船的總橫強度及扭轉強度進行分析計算。

本文計算采用結構有限元分析軟件MSC/PATRAN、NASTRAN，對37 m黃河雙體渡船的總橫強度及扭轉強度進行校核評估。本船根據《鋼質內河船舶建造規范》(2009)(以下簡稱“規范”及《鋼質內河船舶建造規范》(2012修改通報)的要求進行設計建造。雖然該規范關于連接橋設計的內容很少，但規范要求需對雙體船在波浪中高速航行時的總橫強度和扭轉強度進行校核[4]。

1 雙體船主要量度

37 m黃河雙體渡船的主要參數如下：

總長

36.31 m

水線長

34.86 m

型寬

20.00 m

片體寬

6.40 m

連接橋寬

7.20 m

型深

2.20 m

設計吃水

1.20 m

空載吃水

0.90 m

肋距

0.50 m

滿載排水量

405.55 t

航速

16.50 km/h

航區

B(J2)級航區

本船選用的材料為碳素鋼，其泊松比為0.3，材料屈服強度為235 MPa，模量為2.06×105MPa，密度為7 850 kg/m3。

2 結構形式和結構模型

2.1結構形式

本船采用橫骨架式單甲板結構，甲板以下共設6道水密艙壁。為加強雙體船的橫向和縱向強度，在連接橋底板與甲板之間采用縱向和橫向強力隔板對其進行加強，并且連接橋縱向貫通整個船體。

2.2結構模型

37 m黃河雙體渡船結構模型縱向范圍為整個船長，橫向范圍為整個船寬，垂向為從基平面至主甲板。結構模型取主甲板以下全船結構，左右對稱。模型舷側外板、連接橋甲板、連接橋底板、橫艙壁/隔板、強橫梁腹板、縱桁腹板以及其他強構件腹板等全部采用三節點或者四節點的板單元進行離散，用兩節點梁單元對其他加強筋和縱骨等普通構件以及強構件面板等進行離散。37 m黃河雙體渡船結構模型單元總數為50 446，節點總數為33 625。模型如圖1所示。

圖1 整體有限元模型(仰視圖)

3 邊界條件及載荷工況

3.1邊界條件

邊界條件設置依據“規范”第14.6.4節中要求的雙體船邊界條件對37 m黃河雙體渡船甲板以下的結構進行總橫強度校核和扭轉強度校核，邊界條件如下：

(1)對雙體船總橫強度進行校核時，可采用在其中一個片體的舭部節點上施加線位移約束：ux=uy=uz=0 ，在船底的構件交叉節點上進行線位移約束：ux=uz=0，ux、uy、uz分別為繞x、y、z3個方向的平動自由度。在另一個片體上施加垂向剪力，連接橋垂向剪力由“規范”第14.6.2.2節計算得出，該剪力均勻分布在連接橋強構件與片體的縱剖面的交叉節點上。總橫強度校核的邊界條件如圖2所示。

圖2 總橫強度的邊界條件和載荷模型

(2)對雙體船扭轉強度進行校核時，可在連接橋中心節點上施加全位移約束：ux=uy=uz=0，θx=θy=θz=0(以排除剛體位移)，θx、θy、θz分別為繞x、y、z3個方向的旋轉自由度。由“規范”扭矩計算公式得到扭轉載荷，該載荷施加于雙體船的兩片體上。扭矩可施加在片體中縱剖面與船底強構件的交叉節點上，沿船長施加大小相等的反對稱集中力，根據與扭矩值等效原則定垂向集中力的大小。將在過兩片體形心的縱向平面內的各節點與在兩片體形心處建立獨立點進行剛性關聯，然后將相應的扭矩或橫向彎矩作用施加這些剛性關聯點上。計算強度時的邊界條件設置如圖3所示。

3.2工況

根據規范要求，本船計算工況共分為2個：總橫彎曲強度計算工況(LCl)和扭轉強度計算工況(LC2)。

3.3載荷計算

3.3.1總橫彎矩

根據“規范”第14.6.2.1節，37 m黃河雙體渡船的總橫彎矩大小可通過下式計算得到：

Mb=9.81Bc/s

式中：Mb為總橫彎矩，kN·m；為雙體船的排水量，=405.55 t；Bc為任一片體中心至連接橋校檢處的距離，Bc=6.8 m；s為航區系數，s=9.0。

把上述數據代入后，Mb=3 005.94 kN·m。

3.3.2垂向剪力

根據“規范”第14.6.2.2節，雙體船中縱剖面處連接橋的垂向剪力可根據下式得到：

Q=9.8/s

式中：Q為垂向剪力，kN。

數據代入后，Q=442.05 kN。

3.3.3橫向扭矩

根據“規范”第14.6.2.3節，雙體船扭矩Mt可由下式得到：

式中：Mt為橫向扭矩，kN·m；b、b1分別為雙體船片體寬度和連接橋的寬度，b=6.4 m，b1=7.2 m；d為滿載吃水，d=1.2 m；r為計算半波高，r=0.75 m，L為船長，L=34 m；Ca為水線面修正系數，按表1確定，通過插值法求得Ca=0.785。

代入數據，Mt=6 135.18 kN·m。

4 分析結果匯總

有限元計算的應力結果匯總見表2。表中：σe為板單元的中面相當應力；σx為強力甲板、船底板及舷側外板單元沿船長方向的中面應力；σz為梁構件單元節點合成應力；τ為舷側外板或縱艙壁板的剪應力。

表1 水線面修正系數

表2應力結果匯總表MPa

構件名稱載荷工況σe/σzσxτ計算值許用值計算值許用值計算值許用值片體外板LC141．019222．716522．891LC215．91925．221658．7291片體及連接橋甲板LC139．419213．016514．591LC212．71924．051654．1091連接橋底板LC156．619223．416528．491LC213．71923．511654．6491甲板縱桁LC144．518121．991LC25．591813．0891船底縱桁LC118．71818．7591LC27．171814．0691橫向艙壁、隔板和強框架LC112817668．0105LC226．617614．3105

37 m黃河雙體渡船的結構模型在2種工況下的合成應力云圖、船體變形云圖如圖4～圖7所示。

5 結語

(1)由表3可得，本文的37 m黃河雙體渡船總橫強度和抗扭強度滿足規范要求。

(2)從總橫強度工況和扭轉強度工況校核的對比結果可以看出，對該雙體船船體強度影響較大的是總橫強度，僅施加扭轉彎矩的情況對雙體船結構強度的影響較小，表明該雙體船具有足夠的扭轉強度儲備。

(3)綜合全船有限元應力、應變的結果可以看出，在橫向受力作用時，連接橋和橫向構件受力較大，片體與連接橋連接部位的應力較其他部位大。為避免應力集中，應該設置更多的加強肘板或者加大此處橫向構件的板厚。

(4)扭轉工況下，在靠近船中部分的扭轉應力和應變很小，而連接橋靠近首部和尾部的應力、應變都較大，因此結構設計中應注意連接橋首尾處的結構加強。

圖4 船體結構合成應力云圖(LC1)

圖5 船體結構合成應力云圖(LC2)

圖6 船體變形云圖 (LC1)

圖7 船體變形云圖 (LC2)

[1]陳超核,楊永謙.有限元分析雙體船扭轉強度[J].海南大學學報：自然科學版,2000,18(2):126-130.

[2]吳先彪,熊云峰,駱婉珍，等.鋼制雙體客船結構總強度有限元分析[J].艦船科學技術,2014,36(5):31-35.

[3]馮堅,谷家揚.11.9 m雙體交通艇總強度有限元分析[J].江蘇船舶,2010,27(3):5-7,10.

[4]鄭杰,謝偉,駱偉，等.穿浪雙體船橫向強度與扭轉強度的有限元計算[J].中國艦船研究,2010,5(1):14-18.

[5]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.

2014-08-27

高書清(1975-)，男，助理工程師，主要從事船舶設計工作;陶延武(1990-),男,碩士研究生,研究方向為船舶與海洋工程結構力學。

U661.43

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