尾滑道式小艇收放載荷與加強(qiáng)結(jié)構(gòu)分析

彭營(yíng)豪 肖海松 羅 凱

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

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尾滑道式小艇收放載荷與加強(qiáng)結(jié)構(gòu)分析

彭營(yíng)豪 肖海松 羅 凱

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

［摘 要］某型海警船采用的滑道式收放小艇裝置，可以使工作艇快速?zèng)_上母船或脫離母船，實(shí)現(xiàn)小艇安全快捷地收放。文中采用動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)小艇上滑道過(guò)程的載荷進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并進(jìn)行了尾滑道加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算分析。模型計(jì)算與實(shí)船試驗(yàn)表明，該船的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)滿足相關(guān)要求，為相似的滑道式收放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

［關(guān)鍵詞］尾滑道；計(jì)算模型；載荷；強(qiáng)度分析

肖海松（1984-），男，工程師，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)。

羅 凱（1980-），男，高級(jí)工程師，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

引 言

某型海警船在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，快速、安全、有效地實(shí)現(xiàn)執(zhí)法工作艇的需要，在其尾部設(shè)置滑道式收放裝置，以便于兩艘執(zhí)法工作艇的收放［1］。執(zhí)法工作艇在進(jìn)入母船、接觸母船以及離開(kāi)母船過(guò)程中所產(chǎn)生的動(dòng)載荷，將會(huì)直接作用于滑道及其船體加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，特別當(dāng)工作艇通過(guò)滑道直接沖擊滑行到位的方式回收，在該過(guò)程中工作艇與滑道產(chǎn)生瞬間接觸力，此時(shí)滑道上會(huì)出現(xiàn)數(shù)倍于工作艇質(zhì)量的載荷，對(duì)船體結(jié)構(gòu)安全造成威脅［2］。

目前船級(jí)社等尚未規(guī)定關(guān)于小艇沿滑道上船的相關(guān)計(jì)算過(guò)程和規(guī)范，經(jīng)過(guò)與船級(jí)社協(xié)商，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)小艇上滑道過(guò)程的載荷與結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析［3］。通過(guò)本型船尾滑道及其結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的載荷計(jì)算與強(qiáng)度分析，對(duì)相似的滑道式收放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1　小艇上船過(guò)程載荷分析

下面給出小艇上船過(guò)程中動(dòng)力分析過(guò)程所需的方法及計(jì)算所需條件。

1.1計(jì)算方法及流程

采用非線性瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法，利用Dytran有限元程序，建立母船滑道下結(jié)構(gòu)有限元模型。采用流固耦合法將小艇周圍的水劃分成一定數(shù)量的歐拉有限元，用有限體積法進(jìn)行計(jì)算，并采用流體結(jié)構(gòu)耦合算法解決水與小艇之間的相互作用。

目前主要關(guān)注母船在船載小艇沖擊載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題，為簡(jiǎn)化計(jì)算、提高計(jì)算效率，假設(shè)船載小艇為剛體，初始階段給小艇相對(duì)初始速度，使其沖上船尾部滑道；采用流固耦合方法計(jì)算小艇在浮力、重力以及碰撞力作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；最后結(jié)合計(jì)算所得載荷進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算分析。

1.2計(jì)算工況

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，分別對(duì)母船首傾4°、正浮、尾傾4°三種狀態(tài)，小艇和母艦以6 kn、8 kn和12 kn三種相對(duì)速度上滑道過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。現(xiàn)以母船縱搖角為+ 4°、小艇與母船12 kn的相對(duì)速度上船的沖擊載荷和響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算為例，其他工況計(jì)算方法相同，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)第3節(jié)。

1.3計(jì)算模型與邊界條件

1.3.1計(jì)算模型

母船尾部滑道傾斜約11°，長(zhǎng)約10 m，尾門長(zhǎng)度約3 m。

圖1　尾滑道模型示意圖

上船過(guò)程中，小艇的重量重心以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)碰撞力有很大的影響，在計(jì)算中考慮了小艇重量重心以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小。小艇質(zhì)量為6 500 kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jx為923 kg·m2，Jy為9 375 kg·m2，Jz為8 454 kg·m2，建立的模型如圖2 -圖3所示。

圖2　母船尾部模型

圖3　母船縱搖+ 4°時(shí)與小艇的相對(duì)位置

小艇在上滑道過(guò)程中將脫離水面，采用附加質(zhì)量模型并不能準(zhǔn)確模擬這一過(guò)程，流固耦合數(shù)值仿真模型則考慮小艇上滑道過(guò)程中周圍流體介質(zhì)的影響，計(jì)算精度高于常用的附加質(zhì)量模型。采用MSC.Dytran的一般耦合算法對(duì)小艇上滑道過(guò)程中的流固耦合現(xiàn)象進(jìn)行模擬，小艇結(jié)構(gòu)采用Lagrange模型來(lái)模擬，而流體介質(zhì)則采用Euler模型模擬，通過(guò)定義在Lagrange模型上的耦合面建立Lagrange網(wǎng)格與Euler網(wǎng)格之間的相互作用力的傳遞。

圖4　小艇、海水流固耦合模型

1.3.2彈塑性材料模型和失效準(zhǔn)則

合理選擇結(jié)構(gòu)材料的本構(gòu)關(guān)系是碰撞分析中的重要內(nèi)容。簡(jiǎn)化的解析方法通常采用剛塑性材料模型。為更真實(shí)反映材料特性，本文采用線性強(qiáng)化彈塑性模型，其屈服應(yīng)力σy由式（1）給出：

式中：σ0為材料屈服應(yīng)力；彈性模量E取2.06× 1011N/m2；硬化模量Eh取1.18×109N/m2；泊松比μ取0.3。

船舶碰撞是一個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，材料的動(dòng)力特性影響不能忽略。由于船用低碳鋼的塑性性能對(duì)應(yīng)變率是高度敏感的，其屈服應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度極限隨應(yīng)變率的增加而增加，所以在材料模型中引入應(yīng)變率敏感性的影響。材料應(yīng)變率敏感性的本構(gòu)方程有許多，這里采用與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好吻合的Cowper-Symonds本構(gòu)方程：

材料的失效非常復(fù)雜，本文利用MSC.DYTRAN程序中給出的最大塑性應(yīng)變失效準(zhǔn)則，即當(dāng)結(jié)構(gòu)單元的等效塑性應(yīng)變達(dá)到定義的單元最大塑性失效應(yīng)變時(shí)單元失效，失效單元將不再參與計(jì)算，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)給出的建議值，本文最大塑性應(yīng)變?nèi)?.3。

1.3.3接觸定義

接觸問(wèn)題的處理是船體結(jié)構(gòu)碰撞計(jì)算中重要而困難的部分。碰撞過(guò)程中，接觸邊界是不斷變化的，計(jì)算中必須對(duì)接觸邊界持續(xù)搜尋。本文采用主從面接觸算法，主從接觸面包括主面和從面，分別定義在尾滑道和小艇上，碰撞開(kāi)始前兩者是相互分開(kāi)的。

圖5　從接觸面

1.3.4靜水載荷與邊界條件

小艇上船過(guò)程模擬的計(jì)算時(shí)間在0～4 s之間，在此過(guò)程中小艇的沖擊對(duì)母船的整體運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)影響較小，可以認(rèn)為對(duì)于母船來(lái)說(shuō)整個(gè)碰撞過(guò)程中船體本身沒(méi)有運(yùn)動(dòng)位移，只需對(duì)母船施加靜水壓力和重力。同時(shí)將母船有限元模型的較遠(yuǎn)端部處理為剛性固定的邊界條件。施加的邊界條件、載荷以及小艇的初始速度如圖6 -圖8所示。

圖6　模型端部剛性固定

圖7　施加重力和靜水壓力載荷

圖8　小艇初始速度

2　接觸載荷與強(qiáng)度計(jì)算

為準(zhǔn)確模擬小艇上船這一復(fù)雜過(guò)程，按照上述分析過(guò)程進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，并給出小艇與母船接觸力曲線、小艇的速度變化曲線和滑道下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力等結(jié)果。

以母船縱搖角為+ 4°、小艇與母船12 kn的相對(duì)速度上船的沖擊載荷和響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算為例，其他工況計(jì)算方法相同，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)第3節(jié)。

2.1小艇上沖過(guò)程載荷分析

小艇上沖過(guò)程中接觸力的大小直接影響兩者的相互作用程度，反映了小艇上滑道過(guò)程中的動(dòng)載荷，是影響母船尾部結(jié)構(gòu)的重要因素。

2.1.1接觸力曲線與速度曲線

下面給出母船縱搖角為+ 4°、小艇與母船12 kn相對(duì)速度時(shí)的接觸力曲線和速度變化曲線。

圖9　接觸力曲線

圖10　小艇接觸點(diǎn)垂向速度曲線（m/s）

結(jié)合接觸力曲線和小艇的垂向速度曲線可以看出，小艇在與滑道接觸后會(huì)受到接觸力、重力的共同作用。小艇在接觸力的作用下會(huì)離開(kāi)滑道，然后在重力作用下會(huì)再次回到滑道上，如此反復(fù)直至停止，上述現(xiàn)象在接觸力曲線和小艇垂向速度曲線上清晰可見(jiàn)。

圖11　小艇縱向速度曲線（m/s）

圖12　小艇停止位置示意圖

從小艇的縱向速度曲線可見(jiàn)，小艇速度逐漸減小直到停止，實(shí)際操作中小艇會(huì)在掛鉤的作用下停住。

2.1.2最大接觸力及出現(xiàn)時(shí)刻

表1 為母船縱搖角為+ 4°時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)下的最大接觸力及出現(xiàn)時(shí)刻。

表1　母船縱搖角為+4°時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)下的最大接觸力

2.2船體尾部應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

瞬態(tài)接觸力作用下的應(yīng)力分析是一個(gè)動(dòng)態(tài)分析過(guò)程，整個(gè)過(guò)程中將會(huì)輸出大量的計(jì)算結(jié)果，本文僅給出整個(gè)接觸過(guò)程中最大的等效應(yīng)力。

2.2.1母船尾部結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分析

圖13 -圖15為小艇與母船12 kn相對(duì)速度時(shí)尾部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大應(yīng)力時(shí)刻的等效應(yīng)力云圖。

圖13　尾部整體最大應(yīng)力云圖

圖14　尾滑道下甲板縱桁應(yīng)力云圖

圖15　滑道結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

從加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力云圖可見(jiàn)，在小艇上滑道過(guò)程中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在尾滑道上，船體應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在滑道以及滑道下的板架，應(yīng)力分布較為集中，而其余部位結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，所以下面給出甲板板架及滑道等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

2.2.2應(yīng)力衡準(zhǔn)分析

目前對(duì)于動(dòng)態(tài)應(yīng)力計(jì)算規(guī)范沒(méi)有給出相應(yīng)的應(yīng)力衡準(zhǔn)，在評(píng)價(jià)應(yīng)力是否滿足時(shí)，參照GJB119-99抗冰強(qiáng)度、砰擊強(qiáng)度等相關(guān)衡準(zhǔn)［4］，以應(yīng)力是否超過(guò)材料的0.9倍屈服應(yīng)力作為結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度要求的衡準(zhǔn)，本船滑道下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)采用D36鋼，屈服應(yīng)力為355 MPa，許用應(yīng)力取為320 MPa。

2.2.3應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

母船縱搖+ 4°時(shí)，12 kn相對(duì)上船速度下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　母船縱搖+ 4°時(shí)，12 kn相對(duì)上船速度下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在該工況下，整個(gè)尾部最大應(yīng)力為192 MPa，滿足強(qiáng)度要求，該應(yīng)力出現(xiàn)在122肋位的滑道上，該位置在整個(gè)接觸過(guò)程中的應(yīng)力時(shí)歷曲線如圖16所示。

圖16　Fr122處滑道出現(xiàn)最大應(yīng)力位置的應(yīng)力時(shí)歷曲線

3　多工況計(jì)算結(jié)果分析

3.1多工況計(jì)算結(jié)果匯總

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，分別對(duì)母船首傾4°、正浮、尾傾4°三種狀態(tài)，小艇和母艦以6 kn、8 kn和12 kn三種相對(duì)速度上滑道過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果匯總?cè)绫?、表4所示。

表3　最大接觸力匯總

表4　不同結(jié)構(gòu)部位等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果　MPa

3.2計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)母船首傾4°、正浮、尾傾4°三種狀態(tài)，船艇12 kn、8 kn、6 kn三種相對(duì)速度下小艇上滑道過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果可知，各個(gè)工況下船體應(yīng)力最大值122.0 MPa，滑道 242.0 MPa，滿足相關(guān)的應(yīng)力衡準(zhǔn)要求。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，滑道直接與小艇相沖擊，載荷與應(yīng)力較大，而主船體應(yīng)力相對(duì)較小，在設(shè)計(jì)中，可以針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)部位采用不同等級(jí)的鋼材，如主船體采用普通船用鋼，而滑道及其周圍結(jié)構(gòu)局部采用D36鋼。

本船設(shè)計(jì)工作通過(guò)了船級(jí)社審核，首制船已交付，圖17為實(shí)船試航圖片。

圖17　實(shí)船試航

4　結(jié) 論

經(jīng)過(guò)小艇通過(guò)尾滑道沖擊上船的計(jì)算分析和實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證，本型船設(shè)計(jì)滿足相關(guān)要求，該計(jì)算流程也可為今后相似類型的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算提供參考。

（1）通過(guò)載荷計(jì)算分析看出，滑道與小艇瞬間的接觸載荷較大，最大約是小艇自重的4倍，使滑道和船體結(jié)構(gòu)承受較大的瞬間接觸載荷，進(jìn)而導(dǎo)致局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較大。

（2）通過(guò)對(duì)船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算分析可知，各個(gè)工況下船體滑道及其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)均滿足要求；在整個(gè)小艇上船過(guò)程中出現(xiàn)了242 MPa的應(yīng)力，此時(shí)滑道及其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)需要采用高強(qiáng)度鋼才能滿足強(qiáng)度要求，其他區(qū)域應(yīng)力較小，可以采用普通鋼。

（3）小艇沖擊上船受滑道斜度、小艇與母船相對(duì)速度、船體姿態(tài)和海況等多種因素影響，針對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案和使用條件進(jìn)行計(jì)算分析是十分必要的，本文的計(jì)算方法可供今后設(shè)計(jì)和計(jì)算參考，并供類似的尾滑道設(shè)計(jì)和規(guī)范入級(jí)借鑒。

（4）在設(shè)計(jì)初期階段進(jìn)行仿真計(jì)算分析較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力，希望通過(guò)今后的相關(guān)研究，相關(guān)規(guī)范能夠給出初步的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，以方便初步方案設(shè)計(jì)和船舶入級(jí)。

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Analysis of loads and strengthen structure of stern-slipway launch and recover system for jolly boat

PENG Ying-hao XIAO Hai-song LUO Kai
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract:A Patrol Ship of China Coast Guard is equipped with a stern-slipway launch and recover system which can make the working boat rush on and detach from the mother ship quickly for the secure and convenient recovery of the jolly boat. With the dynamics method, it carries out the numerical simulation of the loads during the boat rushes on the slipway and the strength analysis of the strengthened structure of the stern-slipway. The model calculation and full-scale ship trials indicate that the design adopted by strengthened structure of the ship meets the relevant requirements, which can provide references for the structure design of similar stern-slipway launch and recover systems.

Keywords:stern-slipway; calculation model; loads; strength analysis

［中圖分類號(hào)］U661.43

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2016）02-0036-07

［收稿日期］2015-09-23 ；［修回日期］2015-10-28

［作者簡(jiǎn)介］彭營(yíng)豪（1985-），男，工程師，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。