某高速巡邏艇局部強度直接計算

陳亮亮+朱小楠+陳南華+簡開勇

摘 要：針對某高速巡邏艇的局部強度問題，采用Patran軟件建立全船有限元模型，提出了基于中國船級社《水面艦艇入級規范》（2011）改進的方法對其甲板板架、舷側板架、船底板架和艙壁板架的局部強度進行評估。結果表明，本文計算方法方便實用，操作簡單，可為此類船型的局部強度計算提供參考。

關鍵詞：高速巡邏艇；局部強度；直接計算法；計算載荷

中圖分類號：U661.4 文獻標識碼：A

Abstract：For the local strength of fast patrol boat， the whole FEM model is built by the Patran software and the modified method based on the CCSs Rules for Classification of Surface Naval Ship （2011） is adopted to evaluate the local strength of deck frames， side hull frames， bottom frames and bulkhead frames. The results show that this calculation method is convenient and easy for operation.

Keywords：Fast patrol boat； Local strength； Direct calculation； Calculation loads

1 前言

高速巡邏艇由于其航速較快，首部會和水面發生劇烈的砰擊現象，在局部載荷作用下其局部強度顯得比較重要[1-2]。準確計算其遭受的外載荷和評估其結構強度對高速巡邏艇的設計和營運具有重要意義。當前專門針對高速巡邏艇外載荷和局部強度直接計算的文章還很少見，已經發表的研究成果主要有砰擊載荷局部壓力系數[3]的計算，砰擊載荷作用下船底肋骨等效設計壓力[4]的確定，以及針對門架[5]、汽車渡船機艙[6]、甲板錨機基座[7]、船首瞬態響應[8]等局部強度的直接計算。由于高速船外載荷計算難度很大，這方面的研究成果鮮有發表，而關于高速巡邏艇的強度尤其是局部強度的直接計算流程就更少見。

本文首先基于CCS規范給出的外載荷計算公式求得了某新設計的高速巡邏艇的設計載荷，然后采用Patran/Nastran軟件建立三維有限元模型，在確定載荷加載方式、網格劃分方式、邊界條件等因素后進行求解，得到應力響應結果。本文系統地建立了該船型局部強度的直接計算法方法，簡單實用，操作方便。

2 船型概述與有限元模型

本文應用基于CCS規范[1]中改進的方法對某新設計的高速巡邏艇進行局部結構直接計算，該艇的主要參數如下：

在CCS規范中明確要求甲板、船側、船底和艙壁四種板架應按照直接計算方法校核，可以用板架模型分別校核，作為各類板架結構模型的替代，也可以采用艙段模型在一次計算中同時完成甲板、船側、船底和艙壁結構的計算。

如果采用板架模型進行校核，則需要建立諸多模型，邊界條件的施加對計算結果的影響比較敏感，對計算人員的理論水平要求較高；即便采用艙段模型代替板架模型的計算，也需要對各個艙段分別計算。

為了更加方便快捷的完成該船型的局部強度計算，本文采用整船模型一次性完成主船體結構局部應力響應計算，有限元模型見圖1。總體坐標系取右手直角坐標系，原點取在中縱剖面內尾垂線（#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。

有限元模型網格，沿船體縱向按肋距劃分，沿船體橫向和垂向按縱骨間距劃分。船體的板構件、強框架、桁材的高腹板用四節點板殼單元模擬，盡量少采用三角形單元；扶強材和桁材面板、支柱等用梁單元模擬，并考慮各構件的實際截面和偏心。模型總共有11 989個節點、13 660個板單元、11 135個梁單元。

對于邊界條件的規定，規范中的表述為：模型前后端為對稱邊界條件；橫艙壁與舷側交線橫向、垂向位移為零，如圖2所示。主船體為鋼結構，彈性模量為2.06 X 105 MPa，泊松比為0.3。.

3 艙段的計算工況和載荷

CCS規范中給出了作用在整個船體結構上的船體梁載荷，也給出了作用在船體局部結構上的用以校核結構局部強度的設計載荷。由于艦艇航速不同，船體所受外載荷的性質也不同，本艇相對速度=10.21>7.38，屬于高速船的范疇，故給出以下適用于7.38的水面艦艇所受的外載荷計算公式與相應的計算結果。

3.1 甲板載荷

露天甲板及上層建筑的各層露天甲板及其甲板室和后壁板下緣的壓力可以按下式計算，但≮5 ：

3.2 舷側板架載荷

3.2.1 舷外海水壓力

舷側計算壓力P按下式計算：

3.2.2 液艙艙壁壓力

液艙艙壁壓力與該處艦艇的垂向加速度、液艙頂到空氣管頂的距離等因素有關，規范中給出的計算壓力取以下二者中的大值：

3.3 船底板架載荷

船底部水壓力取值為船底波浪沖擊壓力，由下式確定：

3.4 艙壁載荷

3.4.1 水密艙壁壓力

4 計算結果與分析

在完成有限元模型建立、載荷施加和提交求解之后，得到了不同工況下船體板架的應力響應。其中，許用應力取為中面應力，剪切應力取“Max Shear 2D”。

根據《規范》的規定，用直接計算法校核板架強度時許用應力按以下取定：

許用相當應力為=180 N/mm2

許用剪切應力為=94 N/mm2endprint

具體計算結果如表1所列。

由表1可知，相應的應力響應結果滿足規范衡準，結構符合安全性要求。

相當應力的響應最大值在工況1的“船尾～FR8”和“FR55～FR67”兩個艙段范圍內；剪切應力的響應最大值在工況1的“FR78～船首”艙段范圍內，如圖3～圖5所示。

由圖3～圖5可以看出，相當應力響應的最大值在具有大的液艙艙壁處和具有外飄較大的艙段，由于船側的砰擊壓力較大，對該處的結構響應影響也較大。

工況2的結構應力相應較小，結果如圖6～圖7所示。

工況2的主要載荷是液艙艙壁載荷，由于在FR8處的艙壁處有一個液艙，液艙壓頭比較大，對艙壁垂直桁和水平桁的影響也較大，因此在具有液艙布置處的結構設計中，需要多加注意。

5 結論與討論

本文根據CCS《水面艦艇入級規范》（2011）對某新設計的高速巡邏艇的局部強度采用直接計算法進行了全船建模強度評估，得到以下結論：

（1）通過計算表明該規范中有關環境外載荷的計算相對合理，能夠反映出不同結構位置所受載荷的特點；

（2）通過直接計算總結了高速巡邏艇的船體結構特點，在船體液艙壓力和砰擊壓力較大位置的局部板架結構的應力響應較大；

（3）給出了一套合理的高速巡邏艇直接計算方法和完善的分析流程，為今后工作提供了一個參考依據。

參考文獻

[1] 中國船級社.水面艦艇入級規范[S].人民交通出版社，2011.

[2] 楊代盛.船體強度與結構設計[M].上海交通大學，1981.

[3] 王輝.船體局部強度設計中的砰擊載荷確定方法[J].中國造船，2010，51（2）.

[4] 王輝，顧學康，祁恩榮等.砰擊載荷作用下船底肋骨等效設計壓力的確定[J].艦船科學技術，2010，（2）.

[5] 虞建榮.拖網漁船門架局部強度直接計算方法研究[J].中國水運，2014，（2）.

[6] 劉占群.汽車渡船機艙局部強度直接計算方法研究[J].中國水運，2014，（11）.

[7] 張曉君.基于Nastran的船舶局部強度有限元分析[J].浙江海洋學院學報，2006，25（3）.

[8] 任慧龍，翟帥帥，于鵬垚等.砰擊載荷作用下船艏結構瞬態響應研究[J].中國艦船研究，2013，06（3）.endprint