某小水線面雙體船下水強度計算

張旭

摘? ? 要：本文介紹了某小水線面雙體船的結構特點及其在下水方面的特殊性。采用有限元法，對該船下水典型工況進行了強度分析，得到在相應工況下的應力分布特點，取得了有意義的研究成果， 可供小水線面雙體船建造生產或類似計算參考。

關鍵詞：小水線面雙體船;下水;有限元方法

中圖分類號：U663? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Launching Strength Calculation of Small Waterplane

Area Twin-hull （SWATH） Ship

ZHANG Xu

（ China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064 ）

Abstract： The structural characteristics and particularity in launching of small waterplane area twin-hull （ SWATH） ship are described in this paper. With finite element method， launching strength calculation under typical working conditions is carried out， the stress distribution characteristics of the SWATH ship under the work conditions is obtained， some meaningful results on the launching strength of the SWATH ship are obtained as references for its construction or similar calculation.

Key words： SWATH ship; Launching calculation; Finite element method

1? ? ?引言

船舶下水是在船舶建造基本竣工之后， 將船舶從船臺建造區移到水中去的工藝過程。下水按原理分類，大致可分為三大類：重力式下水、漂浮式下水和機械化下水。

縱向下水雖然操作工藝較為復雜，下水過程中尾浮時會產生較大的前支點壓力，對首部結構產生不良的影響。但縱向下水方式具有設備簡單、建造費用少和維護管理方便等優點，所以目前仍被廣為采用[1，2]。船舶縱向下水是極其重要且事故因素較多的一項工藝過程，研究下水過程中的船舶運動狀態以及可能出現的各種現象，是討論下水工藝措施的必備條件。

小水線面雙體船（SWATH）是一種耐波性優良、操縱性好、航向穩定性好、甲板面積大的特種船舶[3]，一般由2 個流線型的水下潛體、連接水下潛體與上船體之間的狹片狀雙支柱體和高出水面的上層船體三部分組成[4]。

小水線面雙體船與常規的單體船水下及水線附近結構形式差異較大，其下水與常規船舶下水有很大的差異，常用的理論計算方法無法適用于此類船舶。如何得出小水線面雙體船在船臺下水時船體結構的受力狀態和應力分布狀態，是下水工程的難點和關鍵技術。因此分析其下水過程，采用有限元方法對其下水強度進行計算， 研究結構強度并清晰的展示船舶下水時的應力分布特性，進而可以有針對性的采取措施避免事故發生，保障下水安全。

2? ? ?船舶概況

小水線面雙體船獨特的外形決定了其結構方案也與其他類型船舶大為不同，某1 000 t級小水線面雙體船主要結構特點如下：

（1）主船體采用高強度鋼，上層建筑采用普通鋼;

（2）采用橫骨架式和較小的肋距（500㎜）;

（3）主船體部分設有連接橋抗扭箱體，箱體內縱壁與片體內舷對齊;設置包括前后箱體端壁在內的數道主橫艙壁，并盡量延伸到片體中，成為片體的橫隔壁，每三～四檔設置強框架;

（4）片體內設置濕甲板，采用雙層結構以保證甲板的強度和剛度，提高橋體的剖面模數;片體內設置包括前后橋端壁在內的數道水密艙壁。每三～四檔設置強框架，以避免水下部分的外力僅通過橫艙壁傳遞到橋體而產生應力集中，并增加片體自身剛度;

（5）該船長度相對較短，片體狹長，橫向強度、剛度較弱，底部肋板開孔多、板厚薄，這些因素都不利于下水過程中船底承受支反力。為了準確計算出本船在船臺下水時，船體結構應力分布的具體情況，本文在合理的范圍內等效、簡化實際狀態為較簡潔的力學模型，采用有限元方法對該船的下水強度進行校核。

3? ? 下水過程分析

船體梁在下水過程中的任意位置，都在重力、浮力和支墩反力的共同作用下保持平衡，因此本文在靜力學的范疇內分析和處理問題[5]。小水線面雙體船縱向下水的全過程，在理論上可分為兩個階段：第一階段為船體入水前，船體被擱置在多個彈性支座上，此時可將船體視為剛性體;第二階段為船體入水后船體浮力逐步取代支座支承力的這段過程。首先在船尾處產生浮力，船尾開始上浮，在一定船長范圍內仍有許多支座支撐著船體，在浮力、支座反力以及重力的作用下，可將船體視為彈性體。支承反力并非僅作用在端部前支點一個支座上，可認為支承反力分布在船端一些獨立的彈性支座上[6，7]。

結合上述下水過程，可初步得到船舶入水前和入水后在起浮過程中的比較危險的兩種狀態：

（1）第一種危險狀態

入水前，設定該船移至平臺小車上，將所有中間支撐（連接橋處）和臨時加強取消，只保留潛體下端塢墩支撐。此時船舶支撐最少，因還未入水不會產生浮力的作用。此時，船位于船臺上，由設立在該船左右兩個下潛體上26處肋位的塢墩進行支撐;這種狀態下強度計算時，只需考慮船體結構和設備的自重。

（2）第二種危險狀態

船舶入水后起浮，出現0.36°的首傾，此時平均吃水為3.19 m，此時只有首支點（7號肋位）受力，并且受力為極端狀況，計算時需考慮船體的傾斜、船體結構和設備的自重、首支點反力，以及平均吃水3.19 m時受到的水浮力等載荷。

由于經典的下水理論難以確定小水線面雙體船的應力分布情況，需要借助有限元分析，獲取船舶下水時的應力狀態及其分布，以保障下水工程的安全性。

4? ? ?下水強度校核

采用大型通用有限元軟件PATRAN，建立有限元模型，對上述的兩種危險工況進行下水計算。

4.1? ? 有限元模型

為了真實地模擬船在下水過程中的結構響應，建立全船長度范圍內的有限元模型進行計算：

（1）模型采用右手坐標系：原點設于船尾縱中剖面基線處;x軸為沿船長方向指向船首方向為正;y軸為沿水平方向向左舷為正;z軸為垂向由原點向上為正;

（2）根據結構的實際受力狀態，將各類構件用以下單元類型模擬：

① 板殼元：包括甲板、外板、縱艙壁及橫艙壁、縱桁及橫框架腹板及高度大于250 mm的扶強材的腹板等;板單元大小縱向取肋距，橫向及垂向取縱骨間距，形狀盡量接近正方形，邊長比不超過1：3;在開孔或結構交接處，采用少量三角形單元過渡;

② 梁單元：包括板材上的縱橫骨材、縱橫艙壁上扶強材、支柱、其他腹板高度小于250 mm的T形材等;梁單元的設置需考慮其實際偏心情況;

③ 桿單元：包括強框架上小的加強筋、縱桁及橫框架面板，腹板高度大于250 mm的T形材的面板、肘板面板及其他板邊緣的面板等;

（3）根據所選材料，屈服極限分別為355 Mpa及235 Mpa，材料參數為E=2.01×1011pa，μ =0.3，ρ=7850 kg/m3。

有限元模型，如圖1、圖2所示。

4.2? ?邊界條件

計算時，第一種及第二種危險工況取墩木處為簡支邊界條件。

4.3? ?計算載荷

按照兩種危險工況實際受力情況進行加載：第一種工況只考慮船體結構和設備的自重，總重量約為1170 t;第二種工況考慮船體的傾斜、船體結構和設備的自重、首支點反力，以及平均吃水3.19 m時受到的水浮力，其中水浮力按照水壓力的方式施加。

4.4? ?計算結果

通過仿真計算分析，得到兩種典型工況下全船合成應力：

（1）船舶入水前

根據計算結果，應力及位移結果云圖見圖3-圖9。整體有限元模型的Von Mises應力分布見圖3、圖4：最大殼單元應力為38.9 Mpa，出現在90號肋位的下潛體上（見圖5）;最大梁單元應力為88.9 Mpa，出現在102號肋位附近的下潛體上（見圖6）;最大的垂向位移出現在船體尾部舯線附近，大小為4.56 mm（見圖9）。

（2）船舶入水后半浮狀態

根據計算結果，整體有限元模型的Von Mises應力分布見圖10、圖11：最大殼單元應力為194 Mpa，出現在#7號肋位附近的下潛體上（見圖12）;最大梁單元應力為292 Mpa，出現在#7號肋位附近的下潛體上（見圖13）;最大的位移出現在尾甲板附近，大小為25.5 cm（見圖14）。

由上述應力和位移云圖可以看出：兩種典型下水工況下最大應力均出現在下潛體上，最大變形分別出現在船體尾部及下潛體上;本船各工況下應力數值均小于材料屈服極限，即下水過程中結構的強度滿足要求。

5? ? 結語

結合小水線面雙體船的結構特點，研究該類船舶下水過程中的運動狀態及可能出現的各種現象，獲取危險工況;采用有限元方法開展計算，研究結構強度并清晰的展示該型船舶的應力分布特性，由此獲得了一些關于小水線面雙體船下水強度的研究成果， 為船舶安全下水提供支撐。

通過小水線面雙體船的下水過程分析可知，其下水過程可分為入水前及入水后兩個階段，兩階段均存在較危險的典型工況。本文對下水過程及典型工況的分析，可為后續小水線面雙體船下水簡化計算提供參考。

現行理論計算方法尚無法適用于結構形式特殊的小水線面雙體船，本文采用有限元仿真分析方法，直觀的展示了小水線面雙體船典型下水工況下的應力和變形分布情況。本文提供的仿真模型模擬原則、約束的選取等，對同類船舶下水計算具有指導意義。

仿真計算結果顯示各典型工況下最大應力均出現在下潛體，可見下潛體是承受下水載荷的主要區域。由于外形特性， 雙體船船體底部剛度相對較差，在設計過程中或下水之前可有針對性的對相應區域進行一定的加強，以避免出現局部應力或變形過大等問題，保障下水安全。

參考文獻

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