王愛民，王　旭，任慧龍，盧小龍

(1.中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125000； 2.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001)

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基于直接計算法的雙體船強度有限元分析

王愛民1，王旭2，任慧龍2，盧小龍2

(1.中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125000； 2.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001)

使用WALCS程序得到波浪外載荷，進行縱向彎矩、縱搖轉(zhuǎn)矩、橫向彎矩為控制參數(shù)的載荷計算，采用船舶結(jié)構(gòu)強度有限元直接計算方法進行整船屈服和屈曲強度分析，根據(jù)整船粗網(wǎng)格強度評估結(jié)果選取若干個高應(yīng)力水平區(qū)域的典型節(jié)點進行精細網(wǎng)格有限元分析，為雙體船強度校核及結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

雙體船;有限元分析;直接計算;強度校核

雙體船因其寬闊、穩(wěn)定，以及靈活等優(yōu)點，成為近幾年來的熱點船型。近年來，世界各大船級社相繼發(fā)展了適用于高性能船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，但采用規(guī)范對雙體船進行校核時存在一定的局限性。因此，對于實際工程中的目標船還需應(yīng)用波浪載荷和結(jié)構(gòu)強度直接計算理論計算目標船所受的波浪載荷，并對其進行屈服屈曲強度的校核。本文采用以有限元分析為核心的直接計算法，直接求出雙體船在各種工況下所有構(gòu)件的變形和受力狀態(tài)[1-3]。

1　船體有限元模型建立

本文結(jié)合CCS《海上高速船入級與建造規(guī)范》《油船結(jié)構(gòu)強度直接計算指南》的有關(guān)規(guī)定和結(jié)構(gòu)特性，確立整船模型的建模原則，通過通用有限元軟件MSC.Patran建立全船有限元模型,見圖1。

圖1　全船有限元模型

模型網(wǎng)格的尺度按照一個肋位間距和縱向、垂向骨材間距劃分，對于主要構(gòu)件上的開孔、結(jié)構(gòu)細節(jié)、結(jié)構(gòu)不連續(xù)處等區(qū)域，采用精細有限元模型進行描述和模擬，并進行局部強度分析，以考慮局部區(qū)域的應(yīng)力水平和分布情況。全船有限元模型單元尺寸為500 mm×500 mm，布置依據(jù)橫、縱構(gòu)件的位置。對于局部細網(wǎng)格模型，網(wǎng)格尺度不大于50 mm×50 mm。腹板高度小于200 mm的型材用梁單元模擬，并考慮偏心；對于腹板高度大于200 mm的型材，用板單元加梁單元的形式模擬，全船模型單元共計27 240個。目標船的功能比較單一，與具有較豐滿上層建筑的常規(guī)雙體船不同，其主甲板上沒有任何上層建筑。

2　船體外載荷計算

2.1波浪參數(shù)及剖面選取

采用三維波浪載荷計算軟件WALCS將本船表面進行水動力網(wǎng)格劃分，選取多體質(zhì)量模型來模擬其質(zhì)量分布。計算航速取為0 kn，波浪入射角取為0°～180°,間隔為30°，共計7個浪向。所確定的各波浪參數(shù)見表1。

表1　波浪參數(shù)

主要關(guān)注雙體船關(guān)鍵位置處的剖面載荷，考慮到計算機的運行速度，將船體分成10個分段，并因此確定11個自船艉至船艏均勻分布的橫向計算剖面，每個剖面間隔一站，編號為1～11。1號剖面位于船艉0站處；1個位于連接橋中縱剖面的縱向計算剖面，編號為12。根據(jù)上述各波浪載荷響應(yīng)參數(shù)和計算剖面，計算目標船在規(guī)則波作用下的響應(yīng)，得到各規(guī)則波中的船體運動響應(yīng)、剖面載荷響應(yīng)及船體水動壓力分布。

2.2規(guī)則波計算結(jié)果

規(guī)則波計算結(jié)果見表2。

表2　規(guī)則波計算結(jié)果

圖2　#6剖面縱向彎矩頻率響應(yīng)分布

圖3　#12剖面縱搖轉(zhuǎn)矩頻率響應(yīng)分布

圖4　#12剖面橫向彎矩頻率響應(yīng)分布

2.3波浪載荷長期預(yù)報

表3　載荷長期值

圖5　縱向彎矩及縱搖轉(zhuǎn)矩載荷長期值

圖6　橫向彎矩載荷長期值

2.4設(shè)計波參數(shù)的確定

對各剖面載荷頻率響應(yīng)函數(shù)進行搜索，確定設(shè)計波的浪向、相位、頻率，通過對剖面載荷的長期預(yù)報確定設(shè)計波的波幅。由于設(shè)計波是簡諧變化的，不同瞬時各載荷分量的組合是不同的，因此在設(shè)計波參數(shù)確定后，要進一步計算瞬時值。將波浪載荷直接計算的長期值作為波浪載荷的設(shè)計極值，計算瞬時則是取主要載荷參數(shù)達到最大值的時刻，確定各工況下的浮體受力狀態(tài)，進而得到各計算工況設(shè)計波參數(shù)。具體計算工況定義及其設(shè)計波參數(shù)見表4。

表4　各計算工況設(shè)計波參數(shù)

3　屈服屈曲強度計算及校核

根據(jù)直接計算法的思路將靜水壓力、波浪動壓力以及全船運動的慣性力施加到整個船體上。

其中靜水壓力的基本計算公式為

(1)

式中：ρw——海水密度；

h1——相應(yīng)工況下的吃水。

波浪動壓力則是根據(jù)設(shè)計波參數(shù)，通過三維波浪載荷計算程序WALCS計算所得的壓力，利用基于PCL語言的自動加載程序，施加于有限元模型。

在板架模型的邊界處，采用簡支邊界條件。

3.1屈服屈曲強度校核準則

根據(jù)2015版《海上高速船入級與建造規(guī)范》對全船進行屈服屈曲強度校核，其準則如下[4-5]。

1)屈服強度校核準則。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的許用屈服應(yīng)力按表5取用。

表5　結(jié)構(gòu)構(gòu)件的許用屈服應(yīng)力

注：σsw-材料焊接后的屈服強度，MPa。

2)屈曲強度校核準則。復(fù)合應(yīng)力作用下，臨界應(yīng)力與實際工作應(yīng)力的比值應(yīng)不小于安全因子λ，λ計算方法見表6。

3.2屈服屈曲強度校核及結(jié)果分析

計算結(jié)果表明目標雙體船的甲板、底板、橫艙壁、橫框架、縱桁在6種工況計算中較為危險。據(jù)計算結(jié)果和構(gòu)件受力特點列出各重要構(gòu)件在計算中的最危險工況，認為構(gòu)件若能夠在最危險工況中滿足屈服校核衡準，則該構(gòu)件在其他工況的計算中也能夠滿足屈服衡準[6]。主要構(gòu)件校核結(jié)果見表7、8。表8中典型危險位置見圖7。

表6　λ計算公式表

表7　主要構(gòu)件板單元相當應(yīng)力校核結(jié)果

表8　主要構(gòu)件屈曲強度校核結(jié)果

圖7　典型結(jié)構(gòu)位置示意

計算結(jié)果表明，全船的縱向構(gòu)件如甲板、外板以及縱桁都產(chǎn)生了較高的應(yīng)力。此外，與許用值相比，主要構(gòu)件均滿足校核要求，對于這6個工況，目標船的屈服強度和屈曲強度都比較強。

3.3高應(yīng)力區(qū)精細網(wǎng)格有限元計算

基于載荷直接計算結(jié)果，選取全船應(yīng)力集中較為顯著和典型的2個位置進行50 mm×50 mm的精細網(wǎng)格計算[7]，節(jié)點分布及其應(yīng)力云圖見圖8～10。分析計算結(jié)果，見表9。

圖8　高應(yīng)力區(qū)精細網(wǎng)格有限元模型

圖9　細化節(jié)點1應(yīng)力云圖

節(jié)點區(qū)域平均值/MPa許用值/MPa應(yīng)力比/%1細化前131.63164.5080.02細化后165.28282.0058.612細化前112.32157.4571.34細化后157.58282.0055.88

網(wǎng)格尺寸越大越不容易反應(yīng)船體受力的實際情況，越小的網(wǎng)格尺寸反應(yīng)出來的應(yīng)力水平越真實。通過比較細化前和細化后的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)域應(yīng)力水平在80%以下，說明此船的總強度性能比較好。

4　結(jié)論

1)該船在數(shù)值計算過程中采用直接計算方法，與傳統(tǒng)的規(guī)范計算方法相比，更能符合實際船舶在特定海域的工作狀態(tài)。通過有限元分析計算，該鋼制雙體船的結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范對雙體船總強度的要求。

2)從應(yīng)力云圖可以看出，在雙體船遭遇迎浪狀態(tài)即工況1時，其應(yīng)力主要集中在船中附近。在雙體船遭遇橫浪狀態(tài)即工況5時，其應(yīng)力主要集中在距離船艏艉1/4 L處。因此這些位置在設(shè)計時可以適當進行加強，以增強船體壽命。

3)網(wǎng)格數(shù)越多，計算所需的時間越多?？紤]到計算難度，不可能全船使用細網(wǎng)格。應(yīng)首先綜合考慮模型計算結(jié)果的準確度與計算難度對全船進行計算，得到高應(yīng)力危險區(qū)域位置；再對危險位置進行細化并重新計算。此時的計算結(jié)果比較能夠反應(yīng)實際情況。

[1] 吳先彪.鋼制雙體客船結(jié)構(gòu)總強度有限元分析[J].艦船科學技術(shù),2014(5):31-35.

[2] 楊平,黃樂華.雙體船結(jié)構(gòu)的直接計算分析[J].船海工程,2006(5):4-7.

[3] 孫麗萍.船舶結(jié)構(gòu)有限元分析[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社,2004.

[4] CCS船級社.海上高速船入級與建造規(guī)范[S].2015.

[5] CCS船級社.油船結(jié)構(gòu)直接計算分析指南[S].2003.

[6] 郭勤靜.北海惡劣海況下半潛鉆井平臺總體屈服及屈曲強度分析[J].船海工程,2015(6):105-113.

[7] 吳荻.雙體船船體結(jié)構(gòu)強度的直接計算法[D].武漢：武漢理工大學,2004.

Finite Element Analysis of the Catamaran′s Strength Based on the Direct Calculation Method

WANG Ai-min1, WANG Xu2, REN Hui-long2, LU Xiao-long2

(1.The 92941st Army of the Chinese People's Liberation Army, Huludao Liaoning, 125000, Chian;2.Marine Engineering Institute, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

WALCS is adopted to calculate the wave external load and carry out the load calculation whose controlling parameters are longitudinal bending moment, pitching torque and horizontal bending moment. The structural yield and buckling strength of the whole ship are assessed by direct calculation method. According to the strength evaluation results of the whole ship, several typical nodes in high stress level are selected to carry out the fine mesh finite element analysis, which provides the basis for strength check and structural design of the catamaran.

catamaran; finite element analysis; direct calculation; strength check

2016-01-01

2016-02-26

國家自然科學基金(5150090298)

王愛民(1963—)，男，本科，高級工程師

U661.43

A

1671-7953(2016)04-0024-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.006

研究方向:水面靶標控制技術(shù)

E-mail:wangxuloto@yeah.net