曲 鵬，佟福山

(哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

氣墊船在高速航行過程中常會(huì)出現(xiàn)船首底部出水及上浪等情況，會(huì)在船首底部區(qū)域產(chǎn)生砰擊現(xiàn)象。當(dāng)波浪沖擊船底時(shí)氣墊船將產(chǎn)生較大的垂向加速度、總縱彎矩，引發(fā)嚴(yán)重破壞。尤其當(dāng)今氣墊船技術(shù)的發(fā)展日漸加快，航速及性能不斷提高的同時(shí)砰擊造成的后果更加明顯。目前，大量國內(nèi)外船舶的損傷報(bào)告顯示，造成船底局部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及破壞的主要原因之一即為船體與水面及波浪上浪的砰擊載荷。所以，在氣墊船的設(shè)計(jì)過程中對于計(jì)算砰擊載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已成為一項(xiàng)安全審核標(biāo)準(zhǔn)［1］。砰擊往往是船舶減速的主要原因，根據(jù)衡準(zhǔn)［2］當(dāng)船舶經(jīng)過的100個(gè)波浪中，發(fā)生超過3次或以上砰擊時(shí)，船長應(yīng)主動(dòng)減速避免發(fā)生局部結(jié)構(gòu)屈曲甚至破壞。

瞬態(tài)載荷［3］的產(chǎn)生通常來自于船舶在高速航行狀態(tài)時(shí)底部及水線以下的出水部分與水面發(fā)生的碰撞，這種現(xiàn)象對于氣墊船等具有較平坦底部的特種船舶效果尤其明顯。

本文將俄羅斯設(shè)計(jì)生產(chǎn)的全墊升式氣墊船作為母型船，該船底部采用了結(jié)構(gòu)較密的加筋板板格式結(jié)構(gòu)，中國船級社在《內(nèi)河高速船入級與建造規(guī)范》(2002)及《海上高速船入級與建造規(guī)范》(2002)修改通報(bào)中均提出了密加筋［4］的結(jié)構(gòu)形式。目前對于氣墊船，縱骨架式和密加筋式2種結(jié)構(gòu)在砰擊載荷作用下的瞬態(tài)響應(yīng)仍缺乏對比分析。

1 砰擊載荷的計(jì)算

根據(jù)Ochi［5］提出的砰擊載荷為三角分布的對稱脈沖載荷理論，砰擊發(fā)生期間載荷由初始值0達(dá)到峰值最后回到 0［6］。

全墊升式氣墊船首沖狀態(tài)下波浪沖擊載荷的確定根據(jù)文獻(xiàn) ［7］確定。

首沖時(shí)波浪沖擊力為

其中:acgb首沖時(shí)船舶重心處垂向加速度，可按下式計(jì)算:

式中:acg為重心處垂向加速度，經(jīng)計(jì)算acg=10.58 m/s2;γx為計(jì)算系數(shù)，γx=l1/ρx，經(jīng)計(jì)算 γx=0.85;Δ 為滿載排水量，Δ=2.47 t。

計(jì)算得首沖時(shí)波浪沖擊力Pb=27.3 kN，最終得砰擊載荷隨時(shí)間變化如圖1所示。

圖1 砰擊載荷(MPa)Fig.1 Slamming load

2 氣墊船船底結(jié)構(gòu)在首沖砰擊載荷下的瞬態(tài)動(dòng)力響應(yīng)分析

為保證這2種船底板結(jié)構(gòu)形式具有實(shí)用參考價(jià)值，確定結(jié)構(gòu)尺寸。

密加筋式船底結(jié)構(gòu)尺寸如下:

根據(jù)母型船底部結(jié)構(gòu)資料，材料采用鋁鎂合金，11道Z 70×25×18×2船底縱骨，2道Z 400×25×1強(qiáng)縱骨，3道Z 50×20×15×1.5肋骨，底部縱骨間距由兩側(cè)向中間對稱分布為110 mm，140 mm，155 mm×3，180 mm，肋骨間距 500 mm，船底板板厚為1.2 mm。

縱骨架式船底結(jié)構(gòu)尺寸如下:

根據(jù)中國船級社《海上高速船入級與建造規(guī)范》(2005)［7］，經(jīng)計(jì)算確定全墊升式氣墊船構(gòu)件尺寸，11道Z 70×25×25×2縱龍骨，2道Z 400×25×2強(qiáng)縱骨，底部縱骨間距由兩側(cè)向中間對稱排列分布為110 mm，140 mm，155 mm×3，180 mm，船底板厚2.5 mm。

采用有限元計(jì)算軟件Patran分別對2種船底結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模、劃分有限元網(wǎng)格如圖2和圖3所示。邊界條件為在龍骨與肋骨端部取簡支約束，取4個(gè)周期的瞬態(tài)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析。首沖砰擊載荷為分布在船底板的面載形式［8］。本文的分析目標(biāo)為2種底板的重量、節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)及Von Mises應(yīng)力。

2.1 船底結(jié)構(gòu)的重量比較

密加筋式船底結(jié)構(gòu)經(jīng)計(jì)算總重量為33.91 kg?？v骨架式船底結(jié)構(gòu)經(jīng)計(jì)算總重量為52.056 kg。由重量比較結(jié)果可知，縱骨架式船底結(jié)構(gòu)相對密加筋式結(jié)構(gòu)重量增加53.51%。由此可見，對于全墊升式氣墊船這種對船體重量要求嚴(yán)格的高速特種船舶來說，母型船所采取的密加筋式船底結(jié)構(gòu)在重量方面是具有較大優(yōu)勢的。

2.2 首沖砰擊載荷下節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)的比較

在首沖載荷作用下船底板最大形變位移處的位移響應(yīng)比較如圖4和圖5所示。

圖7 縱骨架結(jié)構(gòu)船底板形變位移響應(yīng)云圖Fig.7 Longitudinal framing bottom plate displacement response cloud picture

由上圖對比及計(jì)算結(jié)果分析可知:

1)密加筋結(jié)構(gòu)船底板的形變響應(yīng)幅值要比縱骨架式形變響應(yīng)幅值少15.25%。

2)從位移響應(yīng)云圖對比中可知，密加筋結(jié)構(gòu)船底板最大形變面積遠(yuǎn)小于縱骨架結(jié)構(gòu)。

3)密加筋結(jié)構(gòu)船底板的位移響應(yīng)相對穩(wěn)定，呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的分布趨勢，而縱骨架結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)較不穩(wěn)定，變化幅度較大。

從安全性與結(jié)構(gòu)變形破壞角度分析，母型船所采用的密加筋式船底結(jié)構(gòu)要優(yōu)于縱骨架式船底結(jié)構(gòu)。

2.3 船底板的最大位移處Von Mises應(yīng)力比較

在首沖砰擊載荷作用下2種船底板最大位移處Von Mises應(yīng)力如圖8和圖9所示。

由以上對比及計(jì)算結(jié)果分析可知:

1)密加筋式船底板最大形變處Von Mises應(yīng)力幅值要比縱骨架式Von Mises應(yīng)力幅值小36.65%。

2)通過云圖對比，密加筋式Von Mises應(yīng)力分布較為穩(wěn)定，變化幅度小。而縱骨架式Von Mises應(yīng)力變化幅度較大。

顯然，密加筋式船底板的應(yīng)力分布及變化幅度有利于船底結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

綜合形變響應(yīng)結(jié)果和最大形變處Von Mises應(yīng)力結(jié)果，分析原因在于:第一，在密加筋結(jié)構(gòu)中，橫向肋骨為縱骨提供了有利的彈性支撐，減小了縱向彎矩并增強(qiáng)縱向構(gòu)件的剛度;第二，相對于縱骨架式結(jié)構(gòu)，密加筋結(jié)構(gòu)具有船底橫向的構(gòu)件支撐作用，縮小了板格間跨距，使承受的載荷分布得更加均勻。

3 結(jié)語

1)在對比了密加筋式船底結(jié)構(gòu)和縱骨架式船底結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)重量后發(fā)現(xiàn)，密加筋式結(jié)構(gòu)的重量顯著減輕，這一點(diǎn)對于氣墊船等高速船舶顯得尤為重要。

2)在首沖砰擊載荷作用下，分別比較2種結(jié)構(gòu)船底板的最大形變處位移響應(yīng)與該處的Von Mises應(yīng)力后發(fā)現(xiàn)，密加筋式結(jié)構(gòu)不論在變形響應(yīng)還是在應(yīng)力響應(yīng)及應(yīng)力的分布與變化趨勢方面都要優(yōu)于縱骨架式結(jié)構(gòu)。

3)對于氣墊船來說，密加筋結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢還在于，常規(guī)小型氣墊船均為鋁合金式薄外板，而密加筋結(jié)構(gòu)縮小了板格間距，相對于縱骨架結(jié)構(gòu)能減小建造與裝配過程中引起的變形。

4)綜合以上結(jié)論可知，在首沖砰擊載荷作用下，母型船所采用的密加筋式船底結(jié)構(gòu)要比縱骨架式結(jié)構(gòu)更具有抗砰擊變形能力，并能夠大大減輕氣墊船自身重量，提高氣墊船結(jié)構(gòu)性能。

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