陳亮亮+朱小楠+陳南華+簡開勇

摘 要：針對某高速巡邏艇的局部強度問題，采用Patran軟件建立全船有限元模型，提出了基于中國船級社《水面艦艇入級規(guī)范》（2011）改進的方法對其甲板板架、舷側(cè)板架、船底板架和艙壁板架的局部強度進行評估。結(jié)果表明，本文計算方法方便實用，操作簡單，可為此類船型的局部強度計算提供參考。

關(guān)鍵詞：高速巡邏艇；局部強度；直接計算法；計算載荷

中圖分類號：U661.4 文獻標識碼：A

Abstract：For the local strength of fast patrol boat， the whole FEM model is built by the Patran software and the modified method based on the CCSs Rules for Classification of Surface Naval Ship （2011） is adopted to evaluate the local strength of deck frames， side hull frames， bottom frames and bulkhead frames. The results show that this calculation method is convenient and easy for operation.

Keywords：Fast patrol boat； Local strength； Direct calculation； Calculation loads

1 前言

高速巡邏艇由于其航速較快，首部會和水面發(fā)生劇烈的砰擊現(xiàn)象，在局部載荷作用下其局部強度顯得比較重要[1-2]。準確計算其遭受的外載荷和評估其結(jié)構(gòu)強度對高速巡邏艇的設(shè)計和營運具有重要意義。當前專門針對高速巡邏艇外載荷和局部強度直接計算的文章還很少見，已經(jīng)發(fā)表的研究成果主要有砰擊載荷局部壓力系數(shù)[3]的計算，砰擊載荷作用下船底肋骨等效設(shè)計壓力[4]的確定，以及針對門架[5]、汽車渡船機艙[6]、甲板錨機基座[7]、船首瞬態(tài)響應(yīng)[8]等局部強度的直接計算。由于高速船外載荷計算難度很大，這方面的研究成果鮮有發(fā)表，而關(guān)于高速巡邏艇的強度尤其是局部強度的直接計算流程就更少見。

本文首先基于CCS規(guī)范給出的外載荷計算公式求得了某新設(shè)計的高速巡邏艇的設(shè)計載荷，然后采用Patran/Nastran軟件建立三維有限元模型，在確定載荷加載方式、網(wǎng)格劃分方式、邊界條件等因素后進行求解，得到應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果。本文系統(tǒng)地建立了該船型局部強度的直接計算法方法，簡單實用，操作方便。

2 船型概述與有限元模型

本文應(yīng)用基于CCS規(guī)范[1]中改進的方法對某新設(shè)計的高速巡邏艇進行局部結(jié)構(gòu)直接計算，該艇的主要參數(shù)如下：

在CCS規(guī)范中明確要求甲板、船側(cè)、船底和艙壁四種板架應(yīng)按照直接計算方法校核，可以用板架模型分別校核，作為各類板架結(jié)構(gòu)模型的替代，也可以采用艙段模型在一次計算中同時完成甲板、船側(cè)、船底和艙壁結(jié)構(gòu)的計算。

如果采用板架模型進行校核，則需要建立諸多模型，邊界條件的施加對計算結(jié)果的影響比較敏感，對計算人員的理論水平要求較高；即便采用艙段模型代替板架模型的計算，也需要對各個艙段分別計算。

為了更加方便快捷的完成該船型的局部強度計算，本文采用整船模型一次性完成主船體結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力響應(yīng)計算，有限元模型見圖1。總體坐標系取右手直角坐標系，原點取在中縱剖面內(nèi)尾垂線（#0）和基線相交處，x軸沿船長向首為正方向，y軸沿船寬向左舷為正方向，z軸沿型深向上為正方向。

有限元模型網(wǎng)格，沿船體縱向按肋距劃分，沿船體橫向和垂向按縱骨間距劃分。船體的板構(gòu)件、強框架、桁材的高腹板用四節(jié)點板殼單元模擬，盡量少采用三角形單元；扶強材和桁材面板、支柱等用梁單元模擬，并考慮各構(gòu)件的實際截面和偏心。模型總共有11 989個節(jié)點、13 660個板單元、11 135個梁單元。

對于邊界條件的規(guī)定，規(guī)范中的表述為：模型前后端為對稱邊界條件；橫艙壁與舷側(cè)交線橫向、垂向位移為零，如圖2所示。主船體為鋼結(jié)構(gòu)，彈性模量為2.06 X 105 MPa，泊松比為0.3。.

3 艙段的計算工況和載荷

CCS規(guī)范中給出了作用在整個船體結(jié)構(gòu)上的船體梁載荷，也給出了作用在船體局部結(jié)構(gòu)上的用以校核結(jié)構(gòu)局部強度的設(shè)計載荷。由于艦艇航速不同，船體所受外載荷的性質(zhì)也不同，本艇相對速度=10.21>7.38，屬于高速船的范疇，故給出以下適用于7.38的水面艦艇所受的外載荷計算公式與相應(yīng)的計算結(jié)果。

3.1 甲板載荷

露天甲板及上層建筑的各層露天甲板及其甲板室和后壁板下緣的壓力可以按下式計算，但≮5 ：

3.2 舷側(cè)板架載荷

3.2.1 舷外海水壓力

舷側(cè)計算壓力P按下式計算：

3.2.2 液艙艙壁壓力

液艙艙壁壓力與該處艦艇的垂向加速度、液艙頂?shù)娇諝夤茼數(shù)木嚯x等因素有關(guān)，規(guī)范中給出的計算壓力取以下二者中的大值：

3.3 船底板架載荷

船底部水壓力取值為船底波浪沖擊壓力，由下式確定：

3.4 艙壁載荷

3.4.1 水密艙壁壓力

4 計算結(jié)果與分析

在完成有限元模型建立、載荷施加和提交求解之后，得到了不同工況下船體板架的應(yīng)力響應(yīng)。其中，許用應(yīng)力取為中面應(yīng)力，剪切應(yīng)力取“Max Shear 2D”。

根據(jù)《規(guī)范》的規(guī)定，用直接計算法校核板架強度時許用應(yīng)力按以下取定：

許用相當應(yīng)力為=180 N/mm2

許用剪切應(yīng)力為=94 N/mm2endprint

具體計算結(jié)果如表1所列。

由表1可知，相應(yīng)的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果滿足規(guī)范衡準，結(jié)構(gòu)符合安全性要求。

相當應(yīng)力的響應(yīng)最大值在工況1的“船尾～FR8”和“FR55～FR67”兩個艙段范圍內(nèi)；剪切應(yīng)力的響應(yīng)最大值在工況1的“FR78～船首”艙段范圍內(nèi)，如圖3～圖5所示。

由圖3～圖5可以看出，相當應(yīng)力響應(yīng)的最大值在具有大的液艙艙壁處和具有外飄較大的艙段，由于船側(cè)的砰擊壓力較大，對該處的結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響也較大。

工況2的結(jié)構(gòu)應(yīng)力相應(yīng)較小，結(jié)果如圖6～圖7所示。

工況2的主要載荷是液艙艙壁載荷，由于在FR8處的艙壁處有一個液艙，液艙壓頭比較大，對艙壁垂直桁和水平桁的影響也較大，因此在具有液艙布置處的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要多加注意。

5 結(jié)論與討論

本文根據(jù)CCS《水面艦艇入級規(guī)范》（2011）對某新設(shè)計的高速巡邏艇的局部強度采用直接計算法進行了全船建模強度評估，得到以下結(jié)論：

（1）通過計算表明該規(guī)范中有關(guān)環(huán)境外載荷的計算相對合理，能夠反映出不同結(jié)構(gòu)位置所受載荷的特點；

（2）通過直接計算總結(jié)了高速巡邏艇的船體結(jié)構(gòu)特點，在船體液艙壓力和砰擊壓力較大位置的局部板架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)較大；

（3）給出了一套合理的高速巡邏艇直接計算方法和完善的分析流程，為今后工作提供了一個參考依據(jù)。

參考文獻

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