高書清，陶延武

(1.泰州海清船舶技術(shù)有限公司, 江蘇 泰州 225300；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

37m黃河雙體渡船總強度有限元分析

高書清1，陶延武2

(1.泰州海清船舶技術(shù)有限公司, 江蘇 泰州 225300；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

雙體船在風(fēng)浪中航行時會遭受比較大的總橫彎矩和扭轉(zhuǎn)力矩的作用，為保證雙體船的安全性，有必要對其相關(guān)的強度進(jìn)行分析。依據(jù)中國船級社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)，采用有限元分析的直接計算法，對某雙體船的主船體及連接橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行強度評估。計算結(jié)果表明，該船的結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求，并通過相關(guān)分析對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提出建議。

雙體船；渡船；總橫強度；扭轉(zhuǎn)強度；有限元

0 引言

雙體船是由2個相距一定距離的平行片體通過連接橋連接而成的特殊船體，具有甲板面積大，穩(wěn)性好等優(yōu)點[1]。因為雙體船的型寬相對單體船大，具有寬敞的艙室空間和較大的甲板面積，所以在客運業(yè)中具有突出的競爭優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)效益較高。另外，如果船型和雙體間距選擇合適，可使得雙體船相對于同用途單體船的興波阻力較小、航速較高[2]。本文研究的雙體船是黃河下游流域的雙體車客渡船，主要在浮橋拆除后用于車輛和行人在黃河兩岸的擺渡。

雙體船在風(fēng)浪中航行時，2個片體除了受到和單體船類似的總縱彎矩作用外，還受到巨大的橫向彎曲力矩以及作用在連接橋處的扭矩[3]，這是由雙體船的結(jié)構(gòu)特點決定的。本文將采用有限元分析方法對雙體船的總橫強度及扭轉(zhuǎn)強度進(jìn)行分析計算。

本文計算采用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件MSC/PATRAN、NASTRAN，對37 m黃河雙體渡船的總橫強度及扭轉(zhuǎn)強度進(jìn)行校核評估。本船根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)(以下簡稱“規(guī)范”及《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2012修改通報)的要求進(jìn)行設(shè)計建造。雖然該規(guī)范關(guān)于連接橋設(shè)計的內(nèi)容很少，但規(guī)范要求需對雙體船在波浪中高速航行時的總橫強度和扭轉(zhuǎn)強度進(jìn)行校核[4]。

1 雙體船主要量度

37 m黃河雙體渡船的主要參數(shù)如下：

總長

36.31 m

水線長

34.86 m

型寬

20.00 m

片體寬

6.40 m

連接橋?qū)?/p>

7.20 m

型深

2.20 m

設(shè)計吃水

1.20 m

空載吃水

0.90 m

肋距

0.50 m

滿載排水量

405.55 t

航速

16.50 km/h

航區(qū)

B(J2)級航區(qū)

本船選用的材料為碳素鋼，其泊松比為0.3，材料屈服強度為235 MPa，模量為2.06×105MPa，密度為7 850 kg/m3。

2 結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)模型

2.1結(jié)構(gòu)形式

本船采用橫骨架式單甲板結(jié)構(gòu)，甲板以下共設(shè)6道水密艙壁。為加強雙體船的橫向和縱向強度，在連接橋底板與甲板之間采用縱向和橫向強力隔板對其進(jìn)行加強，并且連接橋縱向貫通整個船體。

2.2結(jié)構(gòu)模型

37 m黃河雙體渡船結(jié)構(gòu)模型縱向范圍為整個船長，橫向范圍為整個船寬，垂向為從基平面至主甲板。結(jié)構(gòu)模型取主甲板以下全船結(jié)構(gòu)，左右對稱。模型舷側(cè)外板、連接橋甲板、連接橋底板、橫艙壁/隔板、強橫梁腹板、縱桁腹板以及其他強構(gòu)件腹板等全部采用三節(jié)點或者四節(jié)點的板單元進(jìn)行離散，用兩節(jié)點梁單元對其他加強筋和縱骨等普通構(gòu)件以及強構(gòu)件面板等進(jìn)行離散。37 m黃河雙體渡船結(jié)構(gòu)模型單元總數(shù)為50 446，節(jié)點總數(shù)為33 625。模型如圖1所示。

圖1 整體有限元模型(仰視圖)

3 邊界條件及載荷工況

3.1邊界條件

邊界條件設(shè)置依據(jù)“規(guī)范”第14.6.4節(jié)中要求的雙體船邊界條件對37 m黃河雙體渡船甲板以下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行總橫強度校核和扭轉(zhuǎn)強度校核，邊界條件如下：

(1)對雙體船總橫強度進(jìn)行校核時，可采用在其中一個片體的舭部節(jié)點上施加線位移約束：ux=uy=uz=0 ，在船底的構(gòu)件交叉節(jié)點上進(jìn)行線位移約束：ux=uz=0，ux、uy、uz分別為繞x、y、z3個方向的平動自由度。在另一個片體上施加垂向剪力，連接橋垂向剪力由“規(guī)范”第14.6.2.2節(jié)計算得出，該剪力均勻分布在連接橋強構(gòu)件與片體的縱剖面的交叉節(jié)點上。總橫強度校核的邊界條件如圖2所示。

圖2 總橫強度的邊界條件和載荷模型

(2)對雙體船扭轉(zhuǎn)強度進(jìn)行校核時，可在連接橋中心節(jié)點上施加全位移約束：ux=uy=uz=0，θx=θy=θz=0(以排除剛體位移)，θx、θy、θz分別為繞x、y、z3個方向的旋轉(zhuǎn)自由度。由“規(guī)范”扭矩計算公式得到扭轉(zhuǎn)載荷，該載荷施加于雙體船的兩片體上。扭矩可施加在片體中縱剖面與船底強構(gòu)件的交叉節(jié)點上，沿船長施加大小相等的反對稱集中力，根據(jù)與扭矩值等效原則定垂向集中力的大小。將在過兩片體形心的縱向平面內(nèi)的各節(jié)點與在兩片體形心處建立獨立點進(jìn)行剛性關(guān)聯(lián)，然后將相應(yīng)的扭矩或橫向彎矩作用施加這些剛性關(guān)聯(lián)點上。計算強度時的邊界條件設(shè)置如圖3所示。

3.2工況

根據(jù)規(guī)范要求，本船計算工況共分為2個：總橫彎曲強度計算工況(LCl)和扭轉(zhuǎn)強度計算工況(LC2)。

3.3載荷計算

3.3.1總橫彎矩

根據(jù)“規(guī)范”第14.6.2.1節(jié)，37 m黃河雙體渡船的總橫彎矩大小可通過下式計算得到：

Mb=9.81Bc/s

式中：Mb為總橫彎矩，kN·m；為雙體船的排水量，=405.55 t；Bc為任一片體中心至連接橋校檢處的距離，Bc=6.8 m；s為航區(qū)系數(shù)，s=9.0。

把上述數(shù)據(jù)代入后，Mb=3 005.94 kN·m。

3.3.2垂向剪力

根據(jù)“規(guī)范”第14.6.2.2節(jié)，雙體船中縱剖面處連接橋的垂向剪力可根據(jù)下式得到：

Q=9.8/s

式中：Q為垂向剪力，kN。

數(shù)據(jù)代入后，Q=442.05 kN。

3.3.3橫向扭矩

根據(jù)“規(guī)范”第14.6.2.3節(jié)，雙體船扭矩Mt可由下式得到：

式中：Mt為橫向扭矩，kN·m；b、b1分別為雙體船片體寬度和連接橋的寬度，b=6.4 m，b1=7.2 m；d為滿載吃水，d=1.2 m；r為計算半波高，r=0.75 m，L為船長，L=34 m；Ca為水線面修正系數(shù)，按表1確定，通過插值法求得Ca=0.785。

代入數(shù)據(jù)，Mt=6 135.18 kN·m。

4 分析結(jié)果匯總

有限元計算的應(yīng)力結(jié)果匯總見表2。表中：σe為板單元的中面相當(dāng)應(yīng)力；σx為強力甲板、船底板及舷側(cè)外板單元沿船長方向的中面應(yīng)力；σz為梁構(gòu)件單元節(jié)點合成應(yīng)力；τ為舷側(cè)外板或縱艙壁板的剪應(yīng)力。

表1 水線面修正系數(shù)

表2應(yīng)力結(jié)果匯總表MPa

構(gòu)件名稱載荷工況σe/σzσxτ計算值許用值計算值許用值計算值許用值片體外板LC141．019222．716522．891LC215．91925．221658．7291片體及連接橋甲板LC139．419213．016514．591LC212．71924．051654．1091連接橋底板LC156．619223．416528．491LC213．71923．511654．6491甲板縱桁LC144．518121．991LC25．591813．0891船底縱桁LC118．71818．7591LC27．171814．0691橫向艙壁、隔板和強框架LC112817668．0105LC226．617614．3105

37 m黃河雙體渡船的結(jié)構(gòu)模型在2種工況下的合成應(yīng)力云圖、船體變形云圖如圖4～圖7所示。

5 結(jié)語

(1)由表3可得，本文的37 m黃河雙體渡船總橫強度和抗扭強度滿足規(guī)范要求。

(2)從總橫強度工況和扭轉(zhuǎn)強度工況校核的對比結(jié)果可以看出，對該雙體船船體強度影響較大的是總橫強度，僅施加扭轉(zhuǎn)彎矩的情況對雙體船結(jié)構(gòu)強度的影響較小，表明該雙體船具有足夠的扭轉(zhuǎn)強度儲備。

(3)綜合全船有限元應(yīng)力、應(yīng)變的結(jié)果可以看出，在橫向受力作用時，連接橋和橫向構(gòu)件受力較大，片體與連接橋連接部位的應(yīng)力較其他部位大。為避免應(yīng)力集中，應(yīng)該設(shè)置更多的加強肘板或者加大此處橫向構(gòu)件的板厚。

(4)扭轉(zhuǎn)工況下，在靠近船中部分的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和應(yīng)變很小，而連接橋靠近首部和尾部的應(yīng)力、應(yīng)變都較大，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意連接橋首尾處的結(jié)構(gòu)加強。

圖4 船體結(jié)構(gòu)合成應(yīng)力云圖(LC1)

圖5 船體結(jié)構(gòu)合成應(yīng)力云圖(LC2)

圖6 船體變形云圖 (LC1)

圖7 船體變形云圖 (LC2)

[1]陳超核,楊永謙.有限元分析雙體船扭轉(zhuǎn)強度[J].海南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2000,18(2):126-130.

[2]吳先彪,熊云峰,駱婉珍，等.鋼制雙體客船結(jié)構(gòu)總強度有限元分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2014,36(5):31-35.

[3]馮堅,谷家揚.11.9 m雙體交通艇總強度有限元分析[J].江蘇船舶,2010,27(3):5-7,10.

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

2014-08-27

高書清(1975-)，男，助理工程師，主要從事船舶設(shè)計工作;陶延武(1990-),男,碩士研究生,研究方向為船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)。

U661.43

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