基于直接計算法的雙體船強度有限元分析

王愛民，王　旭，任慧龍，盧小龍

(1.中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125000； 2.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001)

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基于直接計算法的雙體船強度有限元分析

王愛民1，王旭2，任慧龍2，盧小龍2

(1.中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125000； 2.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001)

使用WALCS程序得到波浪外載荷，進行縱向彎矩、縱搖轉矩、橫向彎矩為控制參數的載荷計算，采用船舶結構強度有限元直接計算方法進行整船屈服和屈曲強度分析，根據整船粗網格強度評估結果選取若干個高應力水平區域的典型節點進行精細網格有限元分析，為雙體船強度校核及結構設計提供依據。

雙體船;有限元分析;直接計算;強度校核

雙體船因其寬闊、穩定，以及靈活等優點，成為近幾年來的熱點船型。近年來，世界各大船級社相繼發展了適用于高性能船舶的結構設計規范，但采用規范對雙體船進行校核時存在一定的局限性。因此，對于實際工程中的目標船還需應用波浪載荷和結構強度直接計算理論計算目標船所受的波浪載荷，并對其進行屈服屈曲強度的校核。本文采用以有限元分析為核心的直接計算法，直接求出雙體船在各種工況下所有構件的變形和受力狀態[1-3]。

1　船體有限元模型建立

本文結合CCS《海上高速船入級與建造規范》《油船結構強度直接計算指南》的有關規定和結構特性，確立整船模型的建模原則，通過通用有限元軟件MSC.Patran建立全船有限元模型,見圖1。

圖1　全船有限元模型

模型網格的尺度按照一個肋位間距和縱向、垂向骨材間距劃分，對于主要構件上的開孔、結構細節、結構不連續處等區域，采用精細有限元模型進行描述和模擬，并進行局部強度分析，以考慮局部區域的應力水平和分布情況。全船有限元模型單元尺寸為500 mm×500 mm，布置依據橫、縱構件的位置。對于局部細網格模型，網格尺度不大于50 mm×50 mm。腹板高度小于200 mm的型材用梁單元模擬，并考慮偏心；對于腹板高度大于200 mm的型材，用板單元加梁單元的形式模擬，全船模型單元共計27 240個。目標船的功能比較單一，與具有較豐滿上層建筑的常規雙體船不同，其主甲板上沒有任何上層建筑。

2　船體外載荷計算

2.1波浪參數及剖面選取

采用三維波浪載荷計算軟件WALCS將本船表面進行水動力網格劃分，選取多體質量模型來模擬其質量分布。計算航速取為0 kn，波浪入射角取為0°～180°,間隔為30°，共計7個浪向。所確定的各波浪參數見表1。

表1　波浪參數

主要關注雙體船關鍵位置處的剖面載荷，考慮到計算機的運行速度，將船體分成10個分段，并因此確定11個自船艉至船艏均勻分布的橫向計算剖面，每個剖面間隔一站，編號為1～11。1號剖面位于船艉0站處；1個位于連接橋中縱剖面的縱向計算剖面，編號為12。根據上述各波浪載荷響應參數和計算剖面，計算目標船在規則波作用下的響應，得到各規則波中的船體運動響應、剖面載荷響應及船體水動壓力分布。

2.2規則波計算結果

規則波計算結果見表2。

表2　規則波計算結果

圖2　#6剖面縱向彎矩頻率響應分布

圖3　#12剖面縱搖轉矩頻率響應分布

圖4　#12剖面橫向彎矩頻率響應分布

2.3波浪載荷長期預報

表3　載荷長期值

圖5　縱向彎矩及縱搖轉矩載荷長期值

圖6　橫向彎矩載荷長期值

2.4設計波參數的確定

對各剖面載荷頻率響應函數進行搜索，確定設計波的浪向、相位、頻率，通過對剖面載荷的長期預報確定設計波的波幅。由于設計波是簡諧變化的，不同瞬時各載荷分量的組合是不同的，因此在設計波參數確定后，要進一步計算瞬時值。將波浪載荷直接計算的長期值作為波浪載荷的設計極值，計算瞬時則是取主要載荷參數達到最大值的時刻，確定各工況下的浮體受力狀態，進而得到各計算工況設計波參數。具體計算工況定義及其設計波參數見表4。

表4　各計算工況設計波參數

3　屈服屈曲強度計算及校核

根據直接計算法的思路將靜水壓力、波浪動壓力以及全船運動的慣性力施加到整個船體上。

其中靜水壓力的基本計算公式為

(1)

式中：ρw——海水密度；

h1——相應工況下的吃水。

波浪動壓力則是根據設計波參數，通過三維波浪載荷計算程序WALCS計算所得的壓力，利用基于PCL語言的自動加載程序，施加于有限元模型。

在板架模型的邊界處，采用簡支邊界條件。

3.1屈服屈曲強度校核準則

根據2015版《海上高速船入級與建造規范》對全船進行屈服屈曲強度校核，其準則如下[4-5]。

1)屈服強度校核準則。結構構件的許用屈服應力按表5取用。

表5　結構構件的許用屈服應力

注：σsw-材料焊接后的屈服強度，MPa。

2)屈曲強度校核準則。復合應力作用下，臨界應力與實際工作應力的比值應不小于安全因子λ，λ計算方法見表6。

3.2屈服屈曲強度校核及結果分析

計算結果表明目標雙體船的甲板、底板、橫艙壁、橫框架、縱桁在6種工況計算中較為危險。據計算結果和構件受力特點列出各重要構件在計算中的最危險工況，認為構件若能夠在最危險工況中滿足屈服校核衡準，則該構件在其他工況的計算中也能夠滿足屈服衡準[6]。主要構件校核結果見表7、8。表8中典型危險位置見圖7。

表6　λ計算公式表

表7　主要構件板單元相當應力校核結果

表8　主要構件屈曲強度校核結果

圖7　典型結構位置示意

計算結果表明，全船的縱向構件如甲板、外板以及縱桁都產生了較高的應力。此外，與許用值相比，主要構件均滿足校核要求，對于這6個工況，目標船的屈服強度和屈曲強度都比較強。

3.3高應力區精細網格有限元計算

基于載荷直接計算結果，選取全船應力集中較為顯著和典型的2個位置進行50 mm×50 mm的精細網格計算[7]，節點分布及其應力云圖見圖8～10。分析計算結果，見表9。

圖8　高應力區精細網格有限元模型

圖9　細化節點1應力云圖

節點區域平均值/MPa許用值/MPa應力比/%1細化前131.63164.5080.02細化后165.28282.0058.612細化前112.32157.4571.34細化后157.58282.0055.88

網格尺寸越大越不容易反應船體受力的實際情況，越小的網格尺寸反應出來的應力水平越真實。通過比較細化前和細化后的計算結果，發現高應力區域應力水平在80%以下，說明此船的總強度性能比較好。

4　結論

1)該船在數值計算過程中采用直接計算方法，與傳統的規范計算方法相比，更能符合實際船舶在特定海域的工作狀態。通過有限元分析計算，該鋼制雙體船的結構滿足規范對雙體船總強度的要求。

2)從應力云圖可以看出，在雙體船遭遇迎浪狀態即工況1時，其應力主要集中在船中附近。在雙體船遭遇橫浪狀態即工況5時，其應力主要集中在距離船艏艉1/4 L處。因此這些位置在設計時可以適當進行加強，以增強船體壽命。

3)網格數越多，計算所需的時間越多。考慮到計算難度，不可能全船使用細網格。應首先綜合考慮模型計算結果的準確度與計算難度對全船進行計算，得到高應力危險區域位置；再對危險位置進行細化并重新計算。此時的計算結果比較能夠反應實際情況。

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

[2] 楊平,黃樂華.雙體船結構的直接計算分析[J].船海工程,2006(5):4-7.

[3] 孫麗萍.船舶結構有限元分析[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社,2004.

[4] CCS船級社.海上高速船入級與建造規范[S].2015.

[5] CCS船級社.油船結構直接計算分析指南[S].2003.

[6] 郭勤靜.北海惡劣海況下半潛鉆井平臺總體屈服及屈曲強度分析[J].船海工程,2015(6):105-113.

[7] 吳荻.雙體船船體結構強度的直接計算法[D].武漢：武漢理工大學,2004.

Finite Element Analysis of the Catamaran′s Strength Based on the Direct Calculation Method

WANG Ai-min1, WANG Xu2, REN Hui-long2, LU Xiao-long2

(1.The 92941st Army of the Chinese People's Liberation Army, Huludao Liaoning, 125000, Chian;2.Marine Engineering Institute, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

WALCS is adopted to calculate the wave external load and carry out the load calculation whose controlling parameters are longitudinal bending moment, pitching torque and horizontal bending moment. The structural yield and buckling strength of the whole ship are assessed by direct calculation method. According to the strength evaluation results of the whole ship, several typical nodes in high stress level are selected to carry out the fine mesh finite element analysis, which provides the basis for strength check and structural design of the catamaran.

catamaran; finite element analysis; direct calculation; strength check

2016-01-01

2016-02-26

國家自然科學基金(5150090298)

王愛民(1963—)，男，本科，高級工程師

U661.43

A

1671-7953(2016)04-0024-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.006

研究方向:水面靶標控制技術

E-mail:wangxuloto@yeah.net