陳正豪，吳 猛，錢 雯

（廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，廣州 510250）

1 前言

船舶在海上航行時(shí)，由于受到風(fēng)浪等因素的影響，會(huì)產(chǎn)生一系列不規(guī)則的搖晃現(xiàn)象，降低了船舶的適航性和船體結(jié)構(gòu)的安全性。船舶搖晃運(yùn)動(dòng)中，以橫搖的影響最大，為了減小船舶在航行中橫傾的幅度，可以安裝減搖裝置為船舶提供減搖阻尼。目前，減搖裝置主要有：減搖水艙、舭龍骨、減搖鰭、舵減搖等，其中以減搖鰭的減搖效果最好，因而被廣泛應(yīng)用。

減搖鰭大致可分為固定式及可收放式兩類，一般安裝在船體兩側(cè)的舭部各一套，鰭翼剖面通常為機(jī)翼形。船舶在水中航行時(shí)，由液壓系統(tǒng)操縱和轉(zhuǎn)動(dòng)其攻角，使鰭翼上產(chǎn)生升力提供給船舶恢復(fù)力矩以減輕船舶的橫搖。航速越高，減搖效果越好，常用于高速船尤其是客船，以提高旅客在航行中的舒適度。

本文以某398 客位沿海客船為例，介紹其減搖鰭艙段及基座加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。重點(diǎn)闡述了減搖鰭受流體載荷傳遞到基座進(jìn)而影響船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析過程，對艙段結(jié)構(gòu)尤其是基座加強(qiáng)區(qū)域結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行評估和優(yōu)化。

2 減搖鰭艙段布置及基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

本船采用兩套固定式減搖鰭，安裝在船體中部雙層底區(qū)域兩舷的舭部。減搖鰭的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過螺栓與基座連接，基座與主船體結(jié)構(gòu)之間采用加強(qiáng)肘板連接，加強(qiáng)肘板采用T型結(jié)構(gòu)，呈“井”字形布置在縱向、橫向，共設(shè)置12 個(gè)（一舷），并與減搖鰭基座的四個(gè)封板及內(nèi)肘板在同一平面內(nèi)對齊連接。減搖鰭具體布置形式及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)安裝，見圖1、圖2。

圖1 減搖鰭艙段結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 減搖鰭基座安裝圖

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算與分析

由于船舶在航行中減搖鰭所受載荷較為復(fù)雜，且載荷可通過鰭軸與基座傳遞到主船體，對船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，故應(yīng)對基座區(qū)域的主船體結(jié)構(gòu)以及整個(gè)艙段進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和評估。

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算采用有限元分析軟件Ansys 進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)中國船級(jí)社CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2018）（簡稱《規(guī)范》）的相關(guān)要求，校核計(jì)算結(jié)果及優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 有限元計(jì)算模型

有限元模型應(yīng)包括整個(gè)減搖鰭艙段。為了準(zhǔn)確加載并有效模擬載荷對基座區(qū)域的結(jié)構(gòu)影響，同時(shí)建立減搖鰭基座和部分鰭軸結(jié)構(gòu)，有限元模型的范圍：縱向沿船體縱向從#35～#45，橫向包括整個(gè)左舷和右舷；垂向包括主甲板及以下全部區(qū)域結(jié)構(gòu)。

模型中：船殼外板、各縱橫艙壁及主要強(qiáng)構(gòu)件的腹板等，采用二維板單元進(jìn)行計(jì)算；各類次要構(gòu)件，如甲板縱骨、船體肋骨及主要構(gòu)件的面板等，采用梁單元。

模型中網(wǎng)格尺寸大小約三分之一肋距，整個(gè)模型共約12 787個(gè)節(jié)點(diǎn)、13 255個(gè)單元。有限元模型，見圖3、圖4。

坐標(biāo)系原點(diǎn)選取在#0 處，x 坐標(biāo)沿船長方向由船尾指向船首，y 坐標(biāo)沿船寬方向由右舷指向左舷，z 坐標(biāo)沿垂向指向上。

本船船體結(jié)構(gòu)材料為普通船體結(jié)構(gòu)鋼，減搖鰭基座及鰭軸材料為Q345C,材料參數(shù)見表1。

表1 有限元模型材料參數(shù)表

圖3 減搖鰭艙段有限元模型

圖4 基座加強(qiáng)區(qū)域有限元模型

3.2 邊界條件

邊界約束位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離基座結(jié)構(gòu)受力評估區(qū)域，對有限元模型中#35 號(hào)和#45 號(hào)艙壁處全橫斷面施加剛性固定，即U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0。

3.3 計(jì)算載荷及工況組合

根據(jù)減搖鰭在航行過程的運(yùn)行方式和船舶受力的實(shí)際情況，艙段及基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算主要考慮下列載荷：

（1）減搖鰭設(shè)備載荷

在船舶航行過程中，流體對減搖鰭的載荷主要由鰭翼承受，鰭翼受到的載荷有升力、阻力和扭矩。

由設(shè)備廠商提供的減搖鰭流體動(dòng)力特性試驗(yàn)可以得出：當(dāng)船舶以最大速度17.5 kn 航行、鰭攻角在±32°時(shí)，鰭產(chǎn)生的最大升力L 為65 500 N，阻力G為-17 100 N，扭矩M 為9 000 N*m，力的作用點(diǎn)位于減搖鰭鰭軸線距外板0.568 m 的位置。

（2）橫搖加速度

根據(jù)《規(guī)范》橫搖角加速度按下式計(jì)算：

式中：TR——橫搖周期， s；φm——最大橫搖角， rad；

計(jì)算得出橫搖角加速度ar=0.425 rad/s2，施加于減搖鰭上。

（3）舷外靜水壓力

根據(jù)《規(guī)范》舷外靜水壓力phs按下式計(jì)算：

式中：

ρw——海水密度，取 1.025 t/m3；d1——計(jì)算工況下的吃水，m；

z ——計(jì)算點(diǎn)至基線的垂向距離，m。

當(dāng)載荷計(jì)算點(diǎn)位于水線面以下時(shí)，phs= 0 kN/m2，

（4）甲板載荷

根據(jù)《規(guī)范》， 甲板的計(jì)算壓頭 h 應(yīng)符合表 2.8.1.1的規(guī)定，其對應(yīng)的設(shè)計(jì)載荷 p 按下式計(jì)算：

式中：h—計(jì)算壓頭，m；

γ—裝載率，m3/t；

本船甲板壓頭取h = 1.25 m，得到甲板載荷為：p =9.81h/γ= 8.822E-03 MPa。

（5）重力載荷

結(jié)構(gòu)的自重通過重力加速度施加于整個(gè)模型，即g = 9.81 m/s2。

有限元模型加載（LC1）見圖5。

圖5 有限元模型加載(LC1)

（6）工況組合

根據(jù)船在風(fēng)浪中橫揺時(shí)減搖鰭的運(yùn)行情況，有左、右搖晃時(shí)兩種工況：

工況一（LC1）：為左鰭迎水流方向，有效攻角為 +32°，右鰭為-32°；

工況二（LC2）：為左鰭迎水流方向，有效攻角為-32°，右鰭為+32°。

由于本計(jì)算中結(jié)構(gòu)模型左右對稱，故只需計(jì)算其中一種工況即可。

3.4 校核衡準(zhǔn)及計(jì)算結(jié)果

（1）校核衡準(zhǔn)

校核衡準(zhǔn)參考《規(guī)范》3.7.3 對結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力的規(guī)定，見表2：

表2 計(jì)算載荷及設(shè)計(jì)工況組合表

（2）計(jì)算結(jié)果匯總

對計(jì)算結(jié)果中的最大應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行評估和結(jié)果匯總，經(jīng)計(jì)算分析結(jié)果滿足《規(guī)范》要求。具體的計(jì)算結(jié)果匯總，見表3、圖6～圖9。

表3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總（單位：MPa）

圖6 減搖鰭艙段結(jié)構(gòu)相當(dāng)應(yīng)力

圖7 基座加強(qiáng)區(qū)域結(jié)構(gòu)相當(dāng)應(yīng)力

圖 8 減搖鰭艙段梁單元相當(dāng)應(yīng)力

圖9 基座加強(qiáng)區(qū)域梁單元相當(dāng)應(yīng)力

4 結(jié)束語

本文通過有限元方法，對某398 客位沿?？痛瑴p搖鰭艙段及基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，在鰭受最大載荷的工況下計(jì)算其對結(jié)構(gòu)影響。計(jì)算結(jié)果表明，本船減搖鰭基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布置合理，強(qiáng)度滿足《規(guī)范》要求。其中，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在減搖鰭基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)處，必要時(shí)可采用加大構(gòu)件尺寸以及采用高強(qiáng)度鋼等方式滿足強(qiáng)度要求。

本文僅從靜力學(xué)的角度對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，并未考慮水動(dòng)力學(xué)相關(guān)因素，因此對于同類問題必要時(shí)也可考慮水動(dòng)力學(xué)的影響，使計(jì)算更加全面可靠。