新型高速M(fèi)型船強(qiáng)度計(jì)算研究

周 欣 徐 峰 鄭紹文

(海軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍代表室1) 上海 201913) (中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心2) 武漢 430064)

0 引 言

M船型集中常規(guī)滑行船、高速雙體船和氣墊船之長(zhǎng)[1]，因其優(yōu)良的消波性能、突出的穩(wěn)性和良好的操縱性、寬敞的甲板面積和有效載荷及在逆風(fēng)浪中高速航行時(shí)的卓越性能，是各類(lèi)船型中最具競(jìng)爭(zhēng)力的一種新船型[2]，有著廣闊的應(yīng)用前景.

近年來(lái)，M船型越來(lái)越受到世人的關(guān)注，已成為高性能船舶領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一.目前國(guó)內(nèi)M型船的研究主要集中在水動(dòng)力理論、模型試驗(yàn)、船型優(yōu)化，以及概念設(shè)計(jì)等方面.陳輝等[3]應(yīng)用商業(yè)FLUENT軟件對(duì)M型船的阻力進(jìn)行了數(shù)值模擬；唐建飛等[4]應(yīng)用模型試驗(yàn)對(duì)M型船的阻力特性進(jìn)行了研究.而關(guān)于M型船結(jié)構(gòu)分析僅有少量對(duì)類(lèi)似船型的研究公開(kāi)，周清華等[5]對(duì)三體船展開(kāi)了基于波浪載荷直接計(jì)算的總縱強(qiáng)度評(píng)估研究；許蘊(yùn)蕾[6]應(yīng)用直接計(jì)算結(jié)合規(guī)范校核的方法對(duì)三體船進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度評(píng)估方面的研究.針對(duì)M型船本身結(jié)構(gòu)和載荷的復(fù)雜性，本文以一艘新型高速M(fèi)型船為例，開(kāi)展強(qiáng)度計(jì)算研究.

1 概 述

M型船由三部分組成：字母M的中部為主船體部分，主要用來(lái)排水，為船體提供浮力；字母M的兩個(gè)腳則是船體的兩個(gè)圍壁，其主要作用類(lèi)似于氣墊登陸艇的圍裙，起密封的作用；字母M的中間空白部分則為空氣通道.

結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核是新船型研發(fā)中的重要環(huán)節(jié)[7-8].由于新型高速M(fèi)型船底部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚無(wú)有效的規(guī)范可循，只能參考相近規(guī)范并采用直接計(jì)算法來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).通常規(guī)范設(shè)計(jì)是采用船體梁剖面模數(shù)理論[9-10]，即認(rèn)為距離橫剖面中和軸相等的構(gòu)件應(yīng)力值是相同的，甲板或底部構(gòu)件沿船寬方向應(yīng)力是一樣的，實(shí)際上船體沿寬度方向的應(yīng)力是變化的，在特殊結(jié)構(gòu)連接部位應(yīng)力變化也較大.所以整船有限元分析也可作為規(guī)范設(shè)計(jì)的一種補(bǔ)充手段，通過(guò)分析描示結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的不均勻性，真實(shí)的預(yù)報(bào)船體結(jié)構(gòu)變形，及時(shí)發(fā)現(xiàn)船體高應(yīng)力部位，使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)中能根據(jù)船體的應(yīng)力分布狀態(tài)合理的分配材料，對(duì)高應(yīng)力部位及早采取措施，對(duì)船體變形有特殊要求的部位進(jìn)行控制，避免船體結(jié)構(gòu)在航行或工作中產(chǎn)生損壞，從而使船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加趨于合理[11].

為了更加真實(shí)直觀的了解本船在航行工作狀況下的船體結(jié)構(gòu)特別是M型連接橋底板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和變形形態(tài)，在充分發(fā)揮材料作用的情況下，獲得船體結(jié)構(gòu)最小質(zhì)量，以保證航速.現(xiàn)在對(duì)全船結(jié)構(gòu)進(jìn)行整船有限元分析計(jì)算，以考察全船的縱向強(qiáng)度、底部M型連接橋的橫向強(qiáng)度.

本船結(jié)構(gòu)尺寸按照文獻(xiàn)[12]初定.主船體采用高強(qiáng)度鋁合金材料，其材料及屈服強(qiáng)度見(jiàn)表1.

表1 M型船結(jié)構(gòu)材料屬性 MPa

主尺度見(jiàn)表2.

典型橫剖面見(jiàn)圖1.

圖1 M型船典型橫剖面

2 總強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)于船長(zhǎng)L小于或等于50 m的非纖維增強(qiáng)塑料單體船、雙體船、水面效應(yīng)船和全墊升氣墊船，如果其L/D小于14，且船體結(jié)構(gòu)能滿足本章的局部強(qiáng)度要求，則可免于校核船體的總縱強(qiáng)度.本船參考執(zhí)行.

2.1 計(jì)算模型

在三維笛卡爾坐標(biāo)系中建立全船有限元計(jì)算模型.船寬方向?yàn)閥軸，正方向由右舷指向左舷；型深方向?yàn)閦軸，正方向由基線指向甲板；船長(zhǎng)方向?yàn)閤軸，正方向由船尾指向船首.

整船計(jì)算模型中將甲板板、舷側(cè)外板、船底板、縱橫艙壁板、油艙頂板和鋪板、M型連接橋底板等用Shell63板殼單元離散，將甲板縱桁、甲板縱骨、強(qiáng)橫梁、普通橫梁、肋骨、舷側(cè)縱骨、中內(nèi)龍骨、旁內(nèi)龍骨、底縱骨、艙壁豎桁和扶強(qiáng)材等骨材均采用Beam188梁?jiǎn)卧x散.該船整船三維有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖2.

圖2 主船體三維有限元模型

建模過(guò)程中，為減少建模工作量，提高計(jì)算效率，假設(shè)到甲板室不參與總縱強(qiáng)度，甲板室采用質(zhì)量元作用在主甲板相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上.

2.2 邊界條件

全船調(diào)整載荷平衡后，當(dāng)全船力系平衡時(shí)，支反力理論上應(yīng)為零，這樣，模型在計(jì)算中不會(huì)產(chǎn)生剛體位移，但在實(shí)際加載中要做到支反力絕對(duì)為零是不可能的，只能趨近于零.此時(shí)，在模型首端取剛性固定，約束x，y，z三個(gè)方向的位移和轉(zhuǎn)角；在模型尾端取自由支持，僅約束y，z二個(gè)方向的位移及部分轉(zhuǎn)角，以消除不平衡力對(duì)計(jì)算的影響.而支座對(duì)全船應(yīng)力狀態(tài)的影響可以忽略.

2.3 載荷條件

全船主要固定機(jī)電設(shè)備及舾裝設(shè)備均按其在船上的位置用質(zhì)量單元加在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上；計(jì)算考慮結(jié)構(gòu)模型自重，構(gòu)件質(zhì)量密度取2.80 t/m3，重力加速度9.8 m/ s2；模型中位移單位為mm，應(yīng)力單位為Pa.

由于本船是M型新船型的內(nèi)河高速船，航速較高，船底主要受到波浪沖擊壓力，經(jīng)計(jì)算，在最大航速航行狀態(tài)下，各艙室底部和舷部外板所受到波浪載荷見(jiàn)表3.在相應(yīng)區(qū)域施加靜水壓力以及表3所示的波浪載荷.

表3 最大航速航行狀態(tài)下，各艙室底部和舷部外板所受到波浪載荷 kPa

2.4 連接橋結(jié)構(gòu)橫向強(qiáng)度分析

船底板架橫向強(qiáng)度應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3.由圖3可知，橫向最大壓縮應(yīng)力為16.2 MPa，位于機(jī)艙區(qū)連接橋底板附近.

圖3 船底連接橋板架橫向強(qiáng)度應(yīng)力云圖

由圖3可知，本船結(jié)構(gòu)在最大航速的考核工況下，船體底部連接橋遂道部位應(yīng)力狀態(tài)良好.

3 局部強(qiáng)度計(jì)算

在對(duì)全船結(jié)構(gòu)進(jìn)行整船有限元分析計(jì)算后，尚需對(duì)船體結(jié)構(gòu)最薄弱的艙段進(jìn)行局部強(qiáng)度校核，以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全可靠.

3.1 計(jì)算模型

在三維笛卡爾坐標(biāo)系中建立大開(kāi)口區(qū)域艙段(#13～#22)的有限元模型，垂向范圍為船體型深.坐標(biāo)系和模型簡(jiǎn)化離散方式同2.1.

參考相關(guān)計(jì)算分析指南，需取1/2艙段+1艙段+1/2艙段進(jìn)行建模并考慮到左、右舷對(duì)稱(chēng)條件，本計(jì)算模型的建模范圍取#8～#27，三維有限元模型見(jiàn)圖4.模型中單元總數(shù)3 776個(gè)，其中shell單元1 792個(gè)，beam單元1 980個(gè)，MASS21單元4個(gè).

圖4 艙段三維有限元模型

3.2 邊界條件

在#8及#27端面分別建立1個(gè)獨(dú)立點(diǎn)，將每個(gè)端面的節(jié)點(diǎn)的與其相關(guān)聯(lián)，即建立剛性域，然后約束#8端面獨(dú)立點(diǎn)的及#27端面獨(dú)立點(diǎn)的.

3.3 載荷條件

本艙段共有2臺(tái)主機(jī)(3 890 kg/臺(tái))，2臺(tái)輔機(jī)(300 kg/臺(tái))，其主要固定機(jī)電設(shè)備及舾裝設(shè)備以及部分甲板室質(zhì)量均按其在船上的位置作為外力加在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上；計(jì)算考慮模型自重及端面彎矩.構(gòu)件質(zhì)量密度取2.80 t/m3，重力加速度9.8 m/s2.

靜水壓力和表3的波浪載荷以壓力的形式施加在模型相應(yīng)區(qū)域.自重以慣性力的形式施加.端面總彎矩取本艙段最危險(xiǎn)狀態(tài)(波峰狀態(tài))下的砰擊彎矩為計(jì)算彎矩，經(jīng)計(jì)算，#8附近端面彎矩為1 374.5 kN×m，#27附近端面彎矩為1 546.4 kN×m.

3.4 局部強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算艙段的Von Mises應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5，波浪載荷工況下各部位結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力見(jiàn)表4.全艙段的Von Mises變形云圖見(jiàn)圖6.

圖5 立體艙段的Von Mises應(yīng)力云圖

結(jié)構(gòu)名稱(chēng)位置最大應(yīng)力值/MPa許用應(yīng)力/MPa是否滿足要求甲板板 #13甲板大開(kāi)口轉(zhuǎn)角處60.896.0是舷側(cè)板 #13～#14舷頂列板處56.596.0是船底板 #8～#11平板龍骨處50.996.0是艙段構(gòu)架 #13～#14甲板縱桁面板處66.991.3是

圖6 立體艙段的Von Mises變形云圖

上述板單元的計(jì)算結(jié)果取單元形心處的中面相當(dāng)應(yīng)力，梁?jiǎn)卧挠?jì)算結(jié)果取軸向應(yīng)力.

4 結(jié) 論

1) 在橫浪工況下，船底連接橋局部結(jié)構(gòu)存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，高應(yīng)力出現(xiàn)在連接橋與主船體相交處的橫艙壁附近的局部區(qū)域.

2) 大開(kāi)口區(qū)域應(yīng)力水平較高，將近達(dá)到許用應(yīng)力的70%，可見(jiàn)對(duì)于類(lèi)似船型，局部強(qiáng)度仍是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，不容忽視.

3) 整船有限元分析作為一種有效的設(shè)計(jì)手段，能顯示出結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的不均勻性，使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)中能合理的分配材料，從而使船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加趨于合理.