彭營豪 肖海松 羅 凱

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

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尾滑道式小艇收放載荷與加強結構分析

彭營豪 肖海松 羅 凱

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

［摘 要］某型海警船采用的滑道式收放小艇裝置，可以使工作艇快速沖上母船或脫離母船，實現(xiàn)小艇安全快捷地收放。文中采用動力學方法，對小艇上滑道過程的載荷進行數(shù)值模擬計算，并進行了尾滑道加強結構的強度計算分析。模型計算與實船試驗表明，該船的結構加強設計滿足相關要求，為相似的滑道式收放系統(tǒng)結構設計提供一定的參考。

［關鍵詞］尾滑道；計算模型；載荷；強度分析

肖海松（1984-），男，工程師，研究方向：船舶與海洋結構總體設計。

羅 凱（1980-），男，高級工程師，研究方向：船舶與海洋結構強度研究、結構設計。

引 言

某型海警船在執(zhí)行任務時，快速、安全、有效地實現(xiàn)執(zhí)法工作艇的需要，在其尾部設置滑道式收放裝置，以便于兩艘執(zhí)法工作艇的收放［1］。執(zhí)法工作艇在進入母船、接觸母船以及離開母船過程中所產生的動載荷，將會直接作用于滑道及其船體加強結構，特別當工作艇通過滑道直接沖擊滑行到位的方式回收，在該過程中工作艇與滑道產生瞬間接觸力，此時滑道上會出現(xiàn)數(shù)倍于工作艇質量的載荷，對船體結構安全造成威脅［2］。

目前船級社等尚未規(guī)定關于小艇沿滑道上船的相關計算過程和規(guī)范，經過與船級社協(xié)商，在結構設計中采用瞬態(tài)動力學方法，對小艇上滑道過程的載荷與結構響應進行數(shù)值模擬，進而進行結構強度計算分析［3］。通過本型船尾滑道及其結構加強的載荷計算與強度分析，對相似的滑道式收放系統(tǒng)的結構設計具有一定的參考價值。

1　小艇上船過程載荷分析

下面給出小艇上船過程中動力分析過程所需的方法及計算所需條件。

1.1計算方法及流程

采用非線性瞬態(tài)動力學方法，利用Dytran有限元程序，建立母船滑道下結構有限元模型。采用流固耦合法將小艇周圍的水劃分成一定數(shù)量的歐拉有限元，用有限體積法進行計算，并采用流體結構耦合算法解決水與小艇之間的相互作用。

目前主要關注母船在船載小艇沖擊載荷下的結構強度問題，為簡化計算、提高計算效率，假設船載小艇為剛體，初始階段給小艇相對初始速度，使其沖上船尾部滑道；采用流固耦合方法計算小艇在浮力、重力以及碰撞力作用下的運動響應；最后結合計算所得載荷進行應力計算分析。

1.2計算工況

根據(jù)設計要求，分別對母船首傾4°、正浮、尾傾4°三種狀態(tài)，小艇和母艦以6 kn、8 kn和12 kn三種相對速度上滑道過程進行了數(shù)值模擬計算?，F(xiàn)以母船縱搖角為+ 4°、小艇與母船12 kn的相對速度上船的沖擊載荷和響應進行計算為例，其他工況計算方法相同，具體計算結果見第3節(jié)。

1.3計算模型與邊界條件

1.3.1計算模型

母船尾部滑道傾斜約11°，長約10 m，尾門長度約3 m。

圖1　尾滑道模型示意圖

上船過程中，小艇的重量重心以及轉動慣量對碰撞力有很大的影響，在計算中考慮了小艇重量重心以及轉動慣量的大小。小艇質量為6 500 kg，轉動慣量Jx為923 kg·m2，Jy為9 375 kg·m2，Jz為8 454 kg·m2，建立的模型如圖2 -圖3所示。

圖2　母船尾部模型

圖3　母船縱搖+ 4°時與小艇的相對位置

小艇在上滑道過程中將脫離水面，采用附加質量模型并不能準確模擬這一過程，流固耦合數(shù)值仿真模型則考慮小艇上滑道過程中周圍流體介質的影響，計算精度高于常用的附加質量模型。采用MSC.Dytran的一般耦合算法對小艇上滑道過程中的流固耦合現(xiàn)象進行模擬，小艇結構采用Lagrange模型來模擬，而流體介質則采用Euler模型模擬，通過定義在Lagrange模型上的耦合面建立Lagrange網格與Euler網格之間的相互作用力的傳遞。

圖4　小艇、海水流固耦合模型

1.3.2彈塑性材料模型和失效準則

合理選擇結構材料的本構關系是碰撞分析中的重要內容。簡化的解析方法通常采用剛塑性材料模型。為更真實反映材料特性，本文采用線性強化彈塑性模型，其屈服應力σy由式（1）給出：

式中：σ0為材料屈服應力；彈性模量E取2.06× 1011N/m2；硬化模量Eh取1.18×109N/m2；泊松比μ取0.3。

船舶碰撞是一個動態(tài)響應過程，材料的動力特性影響不能忽略。由于船用低碳鋼的塑性性能對應變率是高度敏感的，其屈服應力和拉伸強度極限隨應變率的增加而增加，所以在材料模型中引入應變率敏感性的影響。材料應變率敏感性的本構方程有許多，這里采用與實驗數(shù)據(jù)較好吻合的Cowper-Symonds本構方程：

材料的失效非常復雜，本文利用MSC.DYTRAN程序中給出的最大塑性應變失效準則，即當結構單元的等效塑性應變達到定義的單元最大塑性失效應變時單元失效，失效單元將不再參與計算，根據(jù)相關文獻給出的建議值，本文最大塑性應變取為0.3。

1.3.3接觸定義

接觸問題的處理是船體結構碰撞計算中重要而困難的部分。碰撞過程中，接觸邊界是不斷變化的，計算中必須對接觸邊界持續(xù)搜尋。本文采用主從面接觸算法，主從接觸面包括主面和從面，分別定義在尾滑道和小艇上，碰撞開始前兩者是相互分開的。

圖5　從接觸面

1.3.4靜水載荷與邊界條件

小艇上船過程模擬的計算時間在0～4 s之間，在此過程中小艇的沖擊對母船的整體運動來說影響較小，可以認為對于母船來說整個碰撞過程中船體本身沒有運動位移，只需對母船施加靜水壓力和重力。同時將母船有限元模型的較遠端部處理為剛性固定的邊界條件。施加的邊界條件、載荷以及小艇的初始速度如圖6 -圖8所示。

圖6　模型端部剛性固定

圖7　施加重力和靜水壓力載荷

圖8　小艇初始速度

2　接觸載荷與強度計算

為準確模擬小艇上船這一復雜過程，按照上述分析過程進行了瞬態(tài)動力學分析，并給出小艇與母船接觸力曲線、小艇的速度變化曲線和滑道下加強結構的等效應力等結果。

以母船縱搖角為+ 4°、小艇與母船12 kn的相對速度上船的沖擊載荷和響應進行計算為例，其他工況計算方法相同，具體計算結果見第3節(jié)。

2.1小艇上沖過程載荷分析

小艇上沖過程中接觸力的大小直接影響兩者的相互作用程度，反映了小艇上滑道過程中的動載荷，是影響母船尾部結構的重要因素。

2.1.1接觸力曲線與速度曲線

下面給出母船縱搖角為+ 4°、小艇與母船12 kn相對速度時的接觸力曲線和速度變化曲線。

圖9　接觸力曲線

圖10　小艇接觸點垂向速度曲線（m/s）

結合接觸力曲線和小艇的垂向速度曲線可以看出，小艇在與滑道接觸后會受到接觸力、重力的共同作用。小艇在接觸力的作用下會離開滑道，然后在重力作用下會再次回到滑道上，如此反復直至停止，上述現(xiàn)象在接觸力曲線和小艇垂向速度曲線上清晰可見。

圖11　小艇縱向速度曲線（m/s）

圖12　小艇停止位置示意圖

從小艇的縱向速度曲線可見，小艇速度逐漸減小直到停止，實際操作中小艇會在掛鉤的作用下停住。

2.1.2最大接觸力及出現(xiàn)時刻

表1 為母船縱搖角為+ 4°時相對運動下的最大接觸力及出現(xiàn)時刻。

表1　母船縱搖角為+4°時相對運動下的最大接觸力

2.2船體尾部應力計算結果

瞬態(tài)接觸力作用下的應力分析是一個動態(tài)分析過程，整個過程中將會輸出大量的計算結果，本文僅給出整個接觸過程中最大的等效應力。

2.2.1母船尾部結構整體應力分析

圖13 -圖15為小艇與母船12 kn相對速度時尾部結構出現(xiàn)最大應力時刻的等效應力云圖。

圖13　尾部整體最大應力云圖

圖14　尾滑道下甲板縱桁應力云圖

圖15　滑道結構應力云圖

從加強結構的最大等效應力云圖可見，在小艇上滑道過程中，最大應力出現(xiàn)在尾滑道上，船體應力較大的區(qū)域主要集中在滑道以及滑道下的板架，應力分布較為集中，而其余部位結構應力較小，所以下面給出甲板板架及滑道等結構的應力計算結果。

2.2.2應力衡準分析

目前對于動態(tài)應力計算規(guī)范沒有給出相應的應力衡準，在評價應力是否滿足時，參照GJB119-99抗冰強度、砰擊強度等相關衡準［4］，以應力是否超過材料的0.9倍屈服應力作為結構是否滿足強度要求的衡準，本船滑道下加強結構采用D36鋼，屈服應力為355 MPa，許用應力取為320 MPa。

2.2.3應力計算結果分析

母船縱搖+ 4°時，12 kn相對上船速度下的應力計算結果如表2所示。

表2　母船縱搖+ 4°時，12 kn相對上船速度下的應力計算結果

根據(jù)計算結果可知，在該工況下，整個尾部最大應力為192 MPa，滿足強度要求，該應力出現(xiàn)在122肋位的滑道上，該位置在整個接觸過程中的應力時歷曲線如圖16所示。

圖16　Fr122處滑道出現(xiàn)最大應力位置的應力時歷曲線

3　多工況計算結果分析

3.1多工況計算結果匯總

根據(jù)設計要求，分別對母船首傾4°、正浮、尾傾4°三種狀態(tài)，小艇和母艦以6 kn、8 kn和12 kn三種相對速度上滑道過程進行了數(shù)值模擬計算，結果匯總如表3、表4所示。

表3　最大接觸力匯總

表4　不同結構部位等效應力計算結果　MPa

3.2計算結果分析

根據(jù)母船首傾4°、正浮、尾傾4°三種狀態(tài)，船艇12 kn、8 kn、6 kn三種相對速度下小艇上滑道過程的數(shù)值模擬結果可知，各個工況下船體應力最大值122.0 MPa，滑道 242.0 MPa，滿足相關的應力衡準要求。

根據(jù)計算結果分析，在結構設計過程中，滑道直接與小艇相沖擊，載荷與應力較大，而主船體應力相對較小，在設計中，可以針對不同的結構部位采用不同等級的鋼材，如主船體采用普通船用鋼，而滑道及其周圍結構局部采用D36鋼。

本船設計工作通過了船級社審核，首制船已交付，圖17為實船試航圖片。

圖17　實船試航

4　結 論

經過小艇通過尾滑道沖擊上船的計算分析和實船試驗驗證，本型船設計滿足相關要求，該計算流程也可為今后相似類型的設計和強度計算提供參考。

（1）通過載荷計算分析看出，滑道與小艇瞬間的接觸載荷較大，最大約是小艇自重的4倍，使滑道和船體結構承受較大的瞬間接觸載荷，進而導致局部加強結構的應力較大。

（2）通過對船體結構應力計算分析可知，各個工況下船體滑道及其加強結構均滿足要求；在整個小艇上船過程中出現(xiàn)了242 MPa的應力，此時滑道及其加強結構需要采用高強度鋼才能滿足強度要求，其他區(qū)域應力較小，可以采用普通鋼。

（3）小艇沖擊上船受滑道斜度、小艇與母船相對速度、船體姿態(tài)和海況等多種因素影響，針對不同的設計方案和使用條件進行計算分析是十分必要的，本文的計算方法可供今后設計和計算參考，并供類似的尾滑道設計和規(guī)范入級借鑒。

（4）在設計初期階段進行仿真計算分析較為費時費力，希望通過今后的相關研究，相關規(guī)范能夠給出初步的簡化計算方法，以方便初步方案設計和船舶入級。

［參考文獻］

［1］ 劉輝，趙遠征，嚴軍. 艉滑道式小艇收放裝置液壓系統(tǒng)的設計與分析［J］. 中國艦船研究，2012（3）：68-73.

［2］ Rubin S，Peter V M，Thomas G B，etal. Stern boat deployment systems and operability ［C］. World Maritime Technology Conference，2013.

［3］ 中國船級社.海關緝私艦艇審圖和檢驗指南［S］. 2012.

［4］ 國家軍用標準.水面艦艇結構設計計算方法［S］. 1999：29-84.

Analysis of loads and strengthen structure of stern-slipway launch and recover system for jolly boat

PENG Ying-hao XIAO Hai-song LUO Kai
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract:A Patrol Ship of China Coast Guard is equipped with a stern-slipway launch and recover system which can make the working boat rush on and detach from the mother ship quickly for the secure and convenient recovery of the jolly boat. With the dynamics method, it carries out the numerical simulation of the loads during the boat rushes on the slipway and the strength analysis of the strengthened structure of the stern-slipway. The model calculation and full-scale ship trials indicate that the design adopted by strengthened structure of the ship meets the relevant requirements, which can provide references for the structure design of similar stern-slipway launch and recover systems.

Keywords:stern-slipway; calculation model; loads; strength analysis

［中圖分類號］U661.43

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）02-0036-07

［收稿日期］2015-09-23 ；［修回日期］2015-10-28

［作者簡介］彭營豪（1985-），男，工程師，研究方向：船舶與海洋結構強度研究、結構設計。