岳興華　毛斌峰　趙經(jīng)玲　侯德軍

摘? ? 要：小水線面雙體船是一種綜合性能優(yōu)良并具有廣泛應(yīng)用前景的新船型。此種船型其結(jié)構(gòu)相對(duì)單體船更為復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)尤其需要重視結(jié)構(gòu)總橫強(qiáng)度及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度問題?；诖笮陀邢拊浖ESAM，對(duì)某小水線面雙體船采用直接計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，表明在橫浪和斜浪情況下對(duì)其橫向強(qiáng)度及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度影響明顯，應(yīng)重點(diǎn)考慮特殊部位結(jié)構(gòu)加強(qiáng)?？偨Y(jié)出強(qiáng)度校核方法，并給出具有一定實(shí)用價(jià)值和工程指導(dǎo)意義的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：小水線面雙體船;有限元;橫向強(qiáng)度;扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：U661.4? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： SWITH is a new type of ship with excellent comprehensive performance and wide application prospect. The structure of this type of ship is more complex than that of a mono hull ship， so it is necessary to pay special attention to the problems of total transverse strength and torsional strength. Based on the finite element software SESAM， the direct calculation method is used to analyze the structural strength of a SWITH. The results show that the transverse strength and torsional strength of the SWITH are obviously affected by the transverse and oblique waves and the strengthening of the structure of special parts should be considered. The strength checking method is summarized， and the conclusion with certain practical value and engineering guiding significance is given.

Key words： Small water-area twin hull vessel （SWATH）; Finite element; Transverse strength; Torsional strength

1? ? ?前言

小水線面雙體船由提供浮力的下潛體、作為連接和提供水線面積的立柱及寬敞的上船體組成。具有甲板空間大、穩(wěn)性好、水動(dòng)力性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。

小水線面雙體船既兼容了雙體船、潛艇和水翼船的優(yōu)點(diǎn)，又克服了這些船型的缺陷，成為了綜合性能優(yōu)良的新船型[1]。 從二十世紀(jì)后期開始發(fā)展就備受矚目，被廣泛使用在科考、軍事、客運(yùn)、旅游觀光等領(lǐng)域，并逐漸向高速化、大型化的方向發(fā)展[2]。

由于雙體船的結(jié)構(gòu)相對(duì)單體船更為復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不同于單體船的主要考慮總縱強(qiáng)度，而更重要的還需考慮船體的總橫強(qiáng)度及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度問題[3]。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。

本文利用大型有限元分析軟件SESAM，對(duì)某35m小水線面雙體科考船的總橫強(qiáng)度及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行分析。本船根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《小水線面雙體船指南》（2005）（以下簡(jiǎn)稱“指南”）及《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2015）設(shè)計(jì)。但是“指南”中關(guān)于連接橋設(shè)計(jì)的內(nèi)容很少， 只在總強(qiáng)度要求中提出應(yīng)校核在波浪中航行時(shí)的總橫強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度[4]。

2? ? 結(jié)構(gòu)形式及模型

2.1? ?主要尺度及結(jié)構(gòu)形式

該船為橫骨架式、單底結(jié)構(gòu)、有首升高甲板的鋼結(jié)構(gòu)船舶。采用雙機(jī)、雙槳、雙舵推進(jìn)系統(tǒng);甲板以下共設(shè)5 道水密艙壁;為加強(qiáng)雙體船的橫向和縱向強(qiáng)度，在連接橋底板與甲板之間采用縱向和橫向強(qiáng)力隔板對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)，并且連接橋縱向貫通整個(gè)船體。

2.2? ?結(jié)構(gòu)模型

該船結(jié)構(gòu)模型范圍為：縱向?yàn)檎麄€(gè)船長(zhǎng);橫向?yàn)檎麄€(gè)船寬;垂向?yàn)閺幕€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(duì)稱;模型舷側(cè)外板、連接橋甲板、連接橋底板、橫艙壁/隔板、強(qiáng)橫梁腹板、縱桁腹板以及其他強(qiáng)構(gòu)件腹板等全部采用三節(jié)點(diǎn)或者四節(jié)點(diǎn)的板單元進(jìn)行離散;其他加強(qiáng)筋和縱骨等普通構(gòu)件以及強(qiáng)構(gòu)件面板等采用兩節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M(jìn)行離散;結(jié)構(gòu)模型單元總數(shù)為60 523、節(jié)點(diǎn)總數(shù)為42 653。整體有限元模型，如圖1 所示。

3? ? ?載荷工況及邊界條件

3.1? ?載荷工況

3.1.1總體橫向彎矩

根據(jù)“指南”第3.2.2節(jié)[5]，小水線面雙體船所遭受的橫向波浪載荷，通常為最大橫向載荷?？傮w橫向彎矩MTR，由橫向?qū)﹂_力Fy作用形成的彎矩MF和船體所受到的浮力（PS+PLR）及船體重力（PDL_B+PDL_S）合成作用形成的彎矩MDL組合而成：

3.1.2 總體水平扭矩

根據(jù)“指南”第3.2.3節(jié)，當(dāng)小水線面雙體船遭受斜浪或由于船體前后線型存在布置上的實(shí)際差異時(shí)，致使橫向?qū)﹂_力Fy沿船長(zhǎng)方向產(chǎn)生不均勻的分布狀況，其受力之差使兩個(gè)片體在水平面內(nèi)形成首分離力矩，并發(fā)生相對(duì)扭轉(zhuǎn)，則需按以下加載方式模擬水平扭矩作用效果：

3.1.3? 總體不同步縱搖扭矩

根據(jù)“指南”第3.2.4節(jié)，小水線面雙體船兩個(gè)片體之間的不同步縱搖運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的對(duì)水平橫向軸的縱搖扭矩MP，其值取下列兩式計(jì)算所得之大者：

MP可用均布線載荷等效，也可采用其他合適方法等效，但應(yīng)使其每一部分的作用中心位置保持在前船體和后船體的中心處。

3.1.4 載荷組合工況

根據(jù)“指南”第3.2.7節(jié)，小水線面雙體船每一種浪向角所表征的船體最大載荷如下：

（1）浪向角90°——最大橫向彎矩和垂向剪切;

（2）浪向角45°/135°——嚴(yán)重的扭矩組合工況。

小水線面雙體船結(jié)構(gòu)總體分析的載荷計(jì)算工況，應(yīng)按上述原則進(jìn)行組合，對(duì)橫向強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。表1給出了全船總體結(jié)構(gòu)有限元直接計(jì)算的設(shè)計(jì)載荷計(jì)算工況。

3.2? ?邊界條件

根據(jù)“指南”第5.2.3節(jié)，船體結(jié)構(gòu)模型在各外力的作用下應(yīng)處于平衡狀態(tài)，因此邊界支點(diǎn)符合以下要求：

（1）支點(diǎn)反力應(yīng)盡可能為零;

（2）對(duì)整體模型的剛體移動(dòng)進(jìn)行約束。

4? ? 分析計(jì)算結(jié)果

對(duì)上述前8個(gè)工況進(jìn)行了分析計(jì)算，給出對(duì)應(yīng)工況下板材和骨材結(jié)構(gòu)的相當(dāng)應(yīng)力并進(jìn)行強(qiáng)度校核。全船采用AH36高強(qiáng)度鋼材，屈服強(qiáng)度為355 MPa，根據(jù)“指南”第5.3.1節(jié)，許用相當(dāng)應(yīng)力為0.85倍的屈服強(qiáng)度。表2為各工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力校核結(jié)果。結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖2～圖9所示。由于本船左右完全對(duì)稱，應(yīng)力云圖只需顯示一半船體結(jié)構(gòu)。

5? ? 結(jié)語

（ 1） 由表2可知：本文的小水線面雙體科考船總橫強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度滿足規(guī)范要求;

（2） 從總橫強(qiáng)度工況和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度工況校核的對(duì)比結(jié)果可以看出：對(duì)該小水線面雙體船船體強(qiáng)度影響較大的是橫向強(qiáng)度，且連接橋和立柱接口部位應(yīng)力較其他位置應(yīng)力要大，應(yīng)重點(diǎn)考慮對(duì)該部位加強(qiáng);

（3） 從計(jì)算結(jié)果可以看出：扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度要比橫向強(qiáng)度小約30%。扭轉(zhuǎn)工況下，在靠近船中部分的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和應(yīng)變較小，但是在連接橋靠近首部和尾部的應(yīng)力、應(yīng)變都較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意連接橋首尾處的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1]? 吳先彪，譚家華. 40米鋼制雙體船強(qiáng)度直接計(jì)算分析[J]. 中國(guó)海洋平臺(tái)，2005，20 （2）：20-24

[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.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.

[4]? Subramanian V A. Numeric design and evaluation of swath form[J].?International Shipbuilding Progress， 2002， 49（2）：95-125.

[5] China Classification Society. Guidelines of Small Waterplane Area Twin Hull?Craft [S]. Beijing： China Communication Press， 2005.