馮 堅(jiān),谷家揚(yáng)

(1.揚(yáng)州市地方海事局城區(qū)地方海事處,江蘇揚(yáng)州 225000;2.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

雙體船是由連接橋及兩個(gè)對(duì)稱的、具有相同線型且平行布置的片體組成,兩個(gè)片體通過(guò)連接橋緊緊地連接在一起。連接兩片體的連接橋,還要承受波浪對(duì)它的強(qiáng)烈拍擊,影響最大的是橫向彎曲及扭轉(zhuǎn)力矩[1]。

由于雙體船的結(jié)構(gòu)相對(duì)單體船更為復(fù)雜,結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不僅有類似于單體船的總體強(qiáng)度,更重要的還有船體的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度問(wèn)題[2]。在分析雙體船的總橫強(qiáng)度及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度時(shí),一般采用有限元分析程序進(jìn)行分析計(jì)算。

本文對(duì)某11.9m雙體交通艇利用大型有限元分析軟件MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN對(duì)其總橫強(qiáng)度及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行校核。本船根據(jù)《內(nèi)河高速船入級(jí)與建造規(guī)范(2002)》的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)建造。目前,該規(guī)范中關(guān)于連接橋設(shè)計(jì)的內(nèi)容很少,但在總強(qiáng)度要求中提出應(yīng)校核在波浪中高速航行時(shí)的總橫強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度[3]。

1 主要量度及其他主要參數(shù)

本船選用材料為鋁合金:彈性模量E=0.69× 105MPa,泊松比0.3,密度2.8t/m3;船體鋁合金材料為5083—H 116,屈服強(qiáng)度 215MPa,焊后屈服強(qiáng)度160MPa;其他鋁合金型材均為6061-T6,屈服強(qiáng)度240MPa,焊后屈服強(qiáng)度180MPa。

2 有限元模型

2.1 結(jié)構(gòu)模型

11.9 m雙體船為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)。整個(gè)模型取最上層主甲板以下全船結(jié)構(gòu)。模型范圍:整個(gè)船長(zhǎng);橫向?yàn)檎麄€(gè)船寬;垂向?yàn)閺幕€至最上層主甲板。模型片體/連接橋甲板、舷側(cè)板、片體/連接橋底板、橫艙壁/橫隔板、縱桁、強(qiáng)橫梁以及各強(qiáng)構(gòu)件腹板等均采用二維 3、4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬,其他縱骨、加強(qiáng)筋以及強(qiáng)構(gòu)件面板等用 2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M。本模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為 17 821,單元數(shù)為 23 642。模型如圖 1～圖 2所示。

2.2 邊界條件及載荷施加

參照《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范(2009)》(簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)第 14.6.4條中雙體船的邊界條件對(duì)11.9m交通艇進(jìn)行總橫強(qiáng)度計(jì)算和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算,邊界條件及載荷施加如下:

圖1 整體有限元模型(俯視圖)

圖2 整體有限元模型(仰視圖)

(1)進(jìn)行總橫強(qiáng)度計(jì)算時(shí),可將其中一個(gè)片體的底部施加約束。采取在舭部節(jié)點(diǎn)上施加線位移約束:ux=uy=uz=0,在船底強(qiáng)構(gòu)件交叉節(jié)點(diǎn)上施加線位移約束ux=uz=0。在另一個(gè)片體上施加連接橋垂向剪力,垂向剪力應(yīng)平均施加在片體中縱剖面船底強(qiáng)構(gòu)件的交叉節(jié)點(diǎn)上。ux、uy、uz分別指舭部節(jié)點(diǎn)沿著x、y、z方向的線位移被約束?？倷M強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的施加邊界條件如圖 3所示。

圖3 總橫強(qiáng)度的邊界條件和載荷模型

(2)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算時(shí),在連接橋中心點(diǎn)上施加全位移約束:u′x=u′y=u′z=0,θx=θy=θz=0。u′x、u′y、u′z分別指連接橋中心點(diǎn)沿著x、y、z方向的線位移被約束。θx、θy、θz分別指連接橋中心點(diǎn)繞 x軸、y軸、z軸的轉(zhuǎn)角被約束。扭轉(zhuǎn)載荷施加在雙體船的兩個(gè)片體上。在片體形心處建立獨(dú)立點(diǎn),將獨(dú)立點(diǎn)所在的縱向平面內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)與獨(dú)立點(diǎn)進(jìn)行剛性關(guān)聯(lián),然后再在剛性點(diǎn)處施加扭矩。扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的施加邊界條件和載荷后的模型如圖 4所示。

圖4 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的邊界條件和載荷

3 工況及載荷計(jì)算

3.1 工況

根據(jù)《內(nèi)河高速船入級(jí)與建造規(guī)范》,本船計(jì)算工況分為:LC1,總橫強(qiáng)度計(jì)算;LC2,扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算。

3.2 載荷計(jì)算

3.2.1 總橫彎矩Mt

按《內(nèi)河高速船入級(jí)與建造規(guī)范》第 2.9.6.1條,雙體船的總橫彎矩可按下式計(jì)算所得之值:

式中:Mt為總橫彎矩,kN?m;C1為航區(qū)系數(shù),查表1得C1=0.106;b為片體中心間距,b=3.5m;Δ為排水量,Δ=5.17t;acg為重心垂向加速度,按《內(nèi)河高速船入級(jí)與建造規(guī)范》第2.5.1.2條進(jìn)行計(jì)算:

其中:L為水線長(zhǎng),L=11m;Bwl為L(zhǎng)/2處水線寬,對(duì)雙體船,應(yīng)為L(zhǎng)/2處片體寬度之和,Bwl=1.8m;g為重力加速度,g=9.81m/s2;VH為船舶在有義波高H的波浪中航行的航速,VH=10.26kn;Hi為有義波高,Hi=0.75m;β為船體重心處橫剖面的底斜升角, β=18°;KT為船舶類型系數(shù),根據(jù)船舶類型確定,對(duì)于排水型單、雙體高速船、全墊升氣墊船和水面效應(yīng)船,KT=0.8。

表1 航區(qū)系數(shù)

設(shè)計(jì)部門(mén)應(yīng)根據(jù)船舶營(yíng)運(yùn)航區(qū),提出一組船舶可能遭遇有義波高Hi與該波高對(duì)應(yīng)的一組航速,且有義波高應(yīng)受如下限制:A級(jí)航區(qū):Hi≤2.0m,B級(jí)航區(qū):Hi≤1.2m。

把上述數(shù)據(jù)代入后,acg=6.47m/s2;

3.2.2 垂向剪力Qt

按《內(nèi)河高速船入級(jí)與建造規(guī)范》第 2.9.6.2條,雙體船在連接橋中縱剖面處的垂向剪力可按下式計(jì)算所得之值:

式中:Qt為垂向剪力,kN;C2為航區(qū)系數(shù),查表1得C2=0.142。

3.2.3 橫向扭矩Mp

按《內(nèi)河高速船入級(jí)與建造規(guī)范》第 2.9.6.3條,兩片體因不同步縱搖引起的對(duì)橫向 X軸的扭矩可按下式計(jì)算所得之值:

施加載荷后模型圖如圖 3～圖 4所示。

4 分析結(jié)果匯總

有限元分析應(yīng)力結(jié)果匯總見(jiàn)表 2。表中:σe為板單元表面等效應(yīng)力;σl為板單元中面沿縱向應(yīng)力,+σl為表示拉應(yīng)力,-σl為表示壓應(yīng)力;σz為梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)合成應(yīng)力,+σz為表示組合拉應(yīng)力, -σz為表示組合壓應(yīng)力;τ為板單元剪應(yīng)力。

表2 應(yīng)力結(jié)果匯總表

雙體交通艇船體構(gòu)件應(yīng)力云圖、整體變形圖如圖 5～圖 8所示。

5 結(jié)論

(1)從表 2得知,11.9m雙體交通艇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求的總橫強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度要求。

(2)在總橫強(qiáng)度工況中,連接橋和橫艙壁是主要受力構(gòu)件,連接橋和片體接口部位的受力較其他部位大,對(duì)該部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝應(yīng)當(dāng)予以重視。

圖5 船體整體等效應(yīng)力σe云圖(LC1)

圖6 船體整體等效應(yīng)力σe云圖(LC2)

圖7 船體整體變形云圖(LC 1)

圖8 船體整體變形云圖(LC2)

(3)雙體交通艇的全船有限元應(yīng)力、應(yīng)變分析表明,連接橋中遠(yuǎn)離受力端的強(qiáng)橫梁、大肘板受到較大的應(yīng)力,因此有必要適當(dāng)加大該位置的構(gòu)件尺寸,在發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形的時(shí)候,連接橋艏部和艉部的應(yīng)力、應(yīng)變都較大;相反,在靠近船中位置的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和應(yīng)變很小,因此在設(shè)計(jì)中可適當(dāng)?shù)乜紤]協(xié)調(diào)船中部位與艏艉處的連接橋的結(jié)構(gòu)尺寸。

[1] 李永正,尹群,劉琰.雙體船連接橋強(qiáng)度有限元分析[J].造船技術(shù),2004,(6):18-21.

[2] 陳超核,楊永謙.有限元分析雙體船扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度[J].海南大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版,2000,(6):126-130.

[3] 鄭杰,謝偉,駱偉,胡要武,楊龍.穿浪雙體船橫向強(qiáng)度與扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的有限元計(jì)算[J].中國(guó)艦船研究,2010,(2):14-18.

[4] 中國(guó)船級(jí)社.內(nèi)河高速船入級(jí)與建造規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2002.

[5] 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2009.