典型工況下的全墊升氣墊船總強度評估方法

李 明，劉 寧，卓奉暄，王奎民

(1. 海軍駐錦州地區軍事代表室，遼寧 錦州 121000；

2. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

全墊升氣墊船作為高性能船舶的一種，其結構形式與運行方式都與常規型船舶顯著不同。它可以應對各種復雜環境，如淺灘、湍流、沼澤、冰區等，適用范圍極其廣泛。然而，不同的運行環境給艇體結構帶來的載荷也不一樣，對全墊升氣墊船的結構強度和結構合理性的要求更為嚴格。多數全墊升氣墊船采用鋁合金帶筋板材料，雖然鋁合金材料耐海水腐蝕能力和在低溫海域的抗裂性能遠高于鋼質船舶等[1]，但是鋁合金材料的焊后屈服強度相對較低，為了使氣墊船在正常的使用過程中能夠承受各種載荷的作用，或者在遇到特殊海況時仍不致發生大的破壞，就必須對其結構強度進行準確地評估。準確地評估氣墊船的強度，不僅能夠減少帶筋板材料的浪費，降低其建造成本，還可以使氣墊船重量減輕，增加載重量[2]，進而提高氣墊船的軍事實用性和安全性。隨著我國氣墊船在軍事和民用方面使用的日益增多，氣墊船的結構強度問題也備受關注，就目前我國氣墊船的發展現狀，尚沒有成熟的氣墊船載荷預報與結構強度評估規范，只有《海上高速船入級與建造規范（2005）》（以下簡稱《規范》）作為參考，多數研究者主要從事氣墊船運動的研究[3]或對氣墊船的局部結構進行強度分析，而對氣墊船的艇體總強度方面沒有具體的研究。

如果單純依靠規范計算進行結構設計很難照顧到其眾多結構細節，也沒有一套完全成熟的規范和準則，相比之下，直接計算法可以基于等效設計波法進行全船的有限元計算分析，真實客觀反映氣墊船的各個具體結構細節，能夠較好地完成結構校核工作，所以氣墊船直接計算法的研究有著重要的現實意義。本文根據全墊升氣墊船結構特點，在對氣墊船載荷分量的確定方法及加載方式分析的基礎上，針對全墊升氣墊船典型的2種工況：墊升航行狀態和排水航行狀態，通過設計波法對氣墊船強度校核方法進行研究，為全墊升氣墊船的實際建造提供一定的參考。

1 載荷分量確定及加載方法研究

常規船舶載荷分量確定多采用設計波的思想，氣墊船雖與常規船舶有很多不同，但其載荷確定方法與常規船舶差別不大，故本文采用設計波的思想確定氣墊船在各個典型工況下的載荷分量，計算起始動壓力及慣性力等，進行有限元強度校核。

1.1 設計波法確定載荷分量

設計波法即選擇典型的規則波，使之產生與長期預報值相等的波浪載荷，由此來確定設計計算用的波浪參數及載荷分量組合情況。

根據設計波原理，海浪和其誘導的船舶響應可以通過一個或幾個主要的載荷參數來反映。主要載荷參數指的是載荷影響、船體運動以及局部動力響應等，考慮以其中最有影響的參數來建立用于船體結構分析的計算載荷。現考慮的主要載荷參數有：墊升狀態下垂向波浪彎矩和排水工況下垂向彎矩、船中扭矩。其中各個載荷控制參數幅頻響應為最大值（包括正負2個最大值）的時刻取為計算瞬時。

一般情況下，設計波各要素的確定過程如下：

1）根據給定波浪參數，通過理論計算或試驗獲得船體在單位波幅規則波下的運動和波浪載荷傳遞函數，運用概率論和數理統計理論，對以上所列舉的主要載荷控制參數進行長期預報。

2）設計波的浪向和頻率根據主要載荷控制參數的傳遞函數最大值決定。在給定的工況下，應用氣墊船波浪載荷試驗方法獲得船舶在單位規則波中的響應。計算中應考慮各個浪向和足夠范圍內的波頻，試驗時應在載荷主要控制參數隨波浪參數變化的峰值點處，進行加密，保證確定峰值點的準確度。

根據選定工況的主要載荷控制參數，對計算的該載荷參數的頻率響應函數，在浪向和波頻范圍內搜索，其中幅頻響應最大值對應的波向和波頻，即為設計波的波向和波頻。

用每個主要載荷參數的頻率響應函數達到最大值時的波頻，計算設計波的波長：

3）設計波的波幅等于主要載荷控制參數的設計極值除以對應的傳遞函數的最大幅值。設計波系統的波幅是這樣確定的：所考慮的主要載荷參數的長期值除以該載荷參數幅頻響應的最大值，即

式中， a為設計波的波幅。

4）等效設計波的相位應取在使所考慮的主要載荷控制參數在余弦波作用下達到最大的相位或位置。

因為等效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，因此在確定完設計波系統的各要素后，要進一步給定計算瞬時。計算瞬時一般取為主要載荷參數達到最大值（可正可負）的時刻，并且要同時規定此工況下的船舶受力狀態（垂向波浪彎矩是中垂還是中拱）。

由于采用的是線性理論，在簡諧變化的波浪力作用下，船舶的剖面載荷、運動和局部的動態響應等也是簡諧變化的：

式中： Mj為第 j載荷分量（剖面載荷、運動等）的瞬時值； Aj為第 j 載荷分量頻響函數的幅值； a為設計波波幅； ωe為 與設計波波頻對應的遭遇頻率； εj為第 j載荷分量頻響函數的相位角。

至此，則確定了計算工況下的各載荷組合情況，為有限元計算奠定了基礎。

1.2 加載方法研究

墊升航行是全墊升氣墊船最為典型的航行狀態，也是其區別與其他排水型艦船的工況之一，而排水航行則是全墊升氣墊船最為特殊的航行狀態。因此，如何針對氣墊船這2種典型航行狀態進行加載分析，是氣墊船結構強度分析的關鍵。

1.2.1 墊升航行狀態下的載荷施加方法

1）靜墊升壓力

根據全墊升氣墊船理論計算簡化模型，通過靜墊升平衡方程可得到前后左右各氣室的靜墊升壓力。

2）墊升狀態下波浪砰擊壓力及氣墊動壓力

基于載荷模型試驗得到每個氣室內部的氣墊動壓力是基本均勻同步變化的結論且可獲得一組合理的動態壓力縱向分布，使得所有載荷成分滿足以下幾點基本要求：

①船體在慣性力、氣墊動壓力、波浪砰擊壓力作用下整體處于動態平衡；

②船中附近剖面垂向彎矩值等于結構設計載荷，船體剖面彎矩、剪力在首部和尾部是封閉的；

③首尾部能體現出砰擊效應產生的影響；

④前后左右氣室內每個氣室動壓力均布。

1.2.2 排水航行狀態下的載荷施加方法

在對全墊升氣墊船在排水狀態下進行船體結構強度評估時，作用于船體四周的水動壓力值的確定過程可具體參照常規排水型艦船計算思路，采用設計波方法確定全墊升氣墊船在排水狀態的水動壓力值與慣性力。

氣墊船在排水狀態下的波浪彎矩的設計值可由載荷預報程序長期分析或者模型載荷試驗得到。經計算驗證可知，在排水狀態下船舯橫剖面的彎矩試驗值與長期預報值均在相同波長船長比處出現最大峰值。考慮到氣墊船與其他常規艦船不同的結構的特點，以及減小預報值的計算誤差，在對目標氣墊船進行排水狀態的結構強度進行評估時，取試驗值為波浪載荷的設計值，所以為了得到實船的水動壓力分布，需對彎矩的預報值進行修正，使彎矩預報值等于彎矩試驗值，設計波高的理論值也進行相應的線性修正，使用水動力軟件WALCS計算得到滿足彎矩試驗值的壓力分布，將獲得的壓力場施加在有限元模型中。這樣的加載方式可實現有限元模型中的船舯橫剖面的彎矩值達到設計值。

2 模型概述

2.1 結構分析模型

根據《規范》的要求，全墊升氣墊船的強度分析可通過大型有限元分析軟件MSC.PATRAN/NASTRAN，施加邊界條件和載荷，通過NASTRAN分析計算獲取全船的應力分布和變形規律[4]。

整個模型取上層建筑甲板以下的全船結構。模型范圍：整個船長、橫向為整個船寬、垂向為從基線至上層建筑甲板。模型的上層建筑甲板、浮箱頂板、浮箱底板、舷側外板、舷側氣道甲板、縱艙壁、縱桁、強橫梁以及各強構件腹板等均采用二維3，4節點殼單元模型，其他縱骨、加強筋等用2節點的梁單元模擬[5]。

2.2 組合工況定義

由于在CCS《高速船入級與建造規范（2012）》[6]中僅給出了單體船在迎浪狀態下的工況組合形式，所以在對全墊升氣墊船墊升狀態下強度進行直接計算時，為了正確評估艇體的總縱強度，本論文借鑒高速雙體船組合工況的定義與形式，定義氣墊船墊升狀態下的組合工況形式如表1所示。表1中各符號的含義如下：為中拱狀態下舯橫剖面垂向彎矩，為中垂狀態下舯橫剖面垂向彎矩。

表1 全墊升氣墊船的計算工況Tab. 1 Calculation condition of ACV

在對全墊升氣墊船排水狀態下的強度進行校核時，借鑒常規排水型艦船的組合工況形式，定義氣墊船排水狀態下的組合工況形式為迎浪中拱、迎浪中垂。

2.3 邊界條件設定

對全墊升氣墊船在墊升狀態與排水狀態下的結構強度進行評估時，詳細的邊界條件定義根據CCS《海上高速船入級與建造規范（2012）》的要求：使用6個位移分量約束限制全船模型的空間剛體運動，而不影響船體各部分的相對變形，分別在船首、尾各一點A和B以及中部舷側一點C進行邊界條件的設置，具體邊界條件如表2與圖1所示。

表2 邊界支點設置Tab. 2 Set of boundary point

圖1 邊界條件示意圖Fig. 1 Sketch map of boundary condition

3 實船算例

按照上述對全墊升氣墊船各個工況下設計載荷的取值定義、對應組合工況以及邊界條件的設定，本節以某全墊升氣墊船為例，分別對其在墊升工況、排水工況下進行船體結構強度評估。

3.1 墊升迎浪工況下總強度評估

在該工況下，確定其設計波后通過氣墊船縱向時域程序獲得氣墊壓力沿船長的分布及各剖面的慣性力等，對于動態壓力分成4個部分進行加載，靜墊升壓力按照理論計算模型分為前后2部分進行加載（見表3），對有限元模型加載完畢后，使得船中剖面的彎矩達設計值。墊升迎浪工況下的應力值如圖2～圖9所示。

由圖9應力數值可知，在墊升迎浪中垂工況下在縱艙壁的開口角隅區域出現了應力集中現象，結構單元的應力值超過了許用應力值，因此要對超出許用應力的單元進行單元細化，根據CCS《海上高速船入級與建造規范（2012）》中直接計算指南部分關于許用屈服應力的要求，細化后的應力許用應力取原始值的倍。具體的細化位置如圖10和圖11所示。

表3 墊升迎浪工況壓力載荷加載數據Tab. 3 Load data of pressure loads in lifting and facing wave condition

表4 墊升迎浪中拱狀態下船體結構強度校核結果Tab. 4 Results of hull structure strength check in hogging with lifting and facing wave

圖2 墊升迎浪中拱工況主甲板應力云圖Fig. 2 Stress map of main deck in hogging with lifting and facing wave

圖3 墊升迎浪中拱工況浮箱底板應力云圖Fig. 3 Stress map of buoyancy tank roof in hogging with lifting and facing wave

圖4 墊升迎浪中拱工況浮箱頂板應力云圖Fig. 4 Stress map of buoyancy tank floor in hogging with lifting and facing wave

圖5 墊升迎浪中拱工況縱艙壁應力云圖Fig. 5 Stress map of longitudinal bulkhead in hogging with lifting and facing wave

圖6 墊升迎浪中垂工況主甲板應力云圖Fig. 6 Stress map of main deck in sagging with lifting and facing wave

圖7 墊升迎浪中垂工況浮箱底板應力云圖Fig. 7 Stress map of buoyancy tank roof in sagging with lifting and facing wave

圖8 墊升迎浪中垂工況浮箱頂板應力云圖Fig. 8 Stress map of buoyancy tank floor in sagging with lifting and facing wave

圖9 墊升迎浪中垂工況縱艙壁應力云圖Fig. 9 Stress map of longitudinal bulkhead in sagging with lifting and facing wave

表5 墊升迎浪中垂狀態下船體結構強度校核結果Tab. 5 Results of hull structure strength check in sagging with lifting and facing wave

圖10 縱艙壁開口位置單元細化后應力云圖Fig. 10 Stress map after element refinement

圖11 縱艙壁開口位置單元細化后應力云圖Fig. 11 Stress map after element refinement

在對縱艙壁開口角隅位置的結構單元進行細化后，位置1與位置2的結構單元應力分別為259.9 MPa，199.8 MPa，均小于單元細化后的應力許用值269.7 MPa，所以由此可知，船體結構在迎浪中垂工況下滿足強度要求。

3.2 排水迎浪工況下總強度評估

在確定該工況下的設計波后，通過排水式船舶載荷計算軟件WALCS計算，可獲得該設計波下的水動壓力，全船慣性力等，該軟件可導出與有限元計算軟件相適應的水動壓力結果文件，最終將此狀態下的水動壓力文件及慣性力導入有限元模型中進行計算，計算結果如圖12～圖19所示。

針對排水航行迎浪工況下的船體主要結構強度校核，經過計算研究可得，船體結構在迎浪中垂工況下滿足強度要求。

表6 排水迎浪中拱狀態下船體結構強度校核結果Tab. 6 Results of hull structure strength check in hogging with boating and facing wave

圖12 排水迎浪中拱工況主甲板應力云圖Fig. 12 Stress map of main deck in hogging with boating and facing wave

圖13 排水迎浪中拱工況浮箱底板應力云圖Fig. 13 Stress map of buoyancy tank roof in hogging with boating and facing wave

圖14 排水迎浪中拱工況浮箱頂板應力云圖Fig. 14 Stress map of buoyancy tank floor in hogging with boating and facing wave

圖15 排水迎浪中拱工況縱艙壁應力云圖Fig. 15 Stress map of longitudinal bulkhead in hogging with boating and facing wave

圖16 排水迎浪中垂工況主甲板應力云圖Fig. 16 Stress map of main deck in sagging with boating and facing wave

圖17 排水迎浪中垂工況浮箱底板應力云圖Fig. 17 Stress map of buoyancy tank roof in sagging with boating and facing wave

圖18 排水迎浪中垂工況浮箱頂板應力云圖Fig. 18 Stress map of buoyancy tank floor in sagging with boating and facing wave

圖19 排水迎浪中垂工況縱艙壁應力云圖Fig. 19 Stress map of longitudinal bulkhead in sagging with boating and facing wave

4 結 語

本文以設計波的思想研究了氣墊船載荷分量確定方法及加載方式，在此基礎上，通過以壓力場或節點力的形式來實現設計載荷施加，結合相應規范，對全墊升氣墊船墊升狀態和排水狀態下的結構強度進行了評估。在墊升迎浪航行狀態時，施加縱彎矩載荷，縱艙壁上的開口角隅處產生了應力集中現象，所以在實艇的建造中，可在角隅處加厚板加強。在排水迎浪航行狀態時，船體結構在迎浪中垂工況下滿足強度要求。結果證明了本文所采用的氣墊船強度校核方法的可行性。

表7 排水迎浪中垂狀態下船體結構強度校核結果Tab. 7 Results of hull structure strength check in sagging with boating and facing wave