小水线面三体船结构概念设计及有限元分析
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第 37 卷 第 6 期 2008 年 12 月
S H IP
船海工程
Vol. 37 No . 6
& OCEAN EN GIN EERIN G
Dec. 2008
文章编号 :167127953 (2008) 0620038204
小水线面三体船结构概念设计及有限元分析
全船模型共有节点 22 185 个 , 单元 25 196 个 ,其中板单元 15 757 个 ,梁单元 8 916 个 ,杆单 元 523 个 。整船有限元模型见图 2 。
2 有限元计算模型
选择笛卡尔直角坐标系作为全船坐标系 ,坐 标原点取在纵中剖面船舯肋位的基线上 ,船长方 向为 x 轴 ,船尾到船首方向为正 ; 船宽方向为 y
主船体船底 、舷侧以及主甲板采用纵骨架结 构形式 ;侧体和连接桥区域采用横骨架结构形式 ; 主船体与侧体均采用单层底结构 ;舷侧强肋骨间 距和甲 板 强 横 梁 间 距 均 为 3 个 肋 位 , 肋 距 为 600 mm ;主船体与侧体的船底在每个肋位均设置 实肋板 ;中纵剖面处设置中龙骨 ;潜体最大宽度处 设置舷侧纵桁 ;主甲板在主船体中纵剖面及侧体 中纵剖面设置甲板纵桁 ;主船体在 5 # 、12 # 、33 # 、 56 # 、71 # 、81 # 肋位设置水密舱壁 ,侧体在其 10 # 、 24 # 肋位设置水密舱壁 ; 侧体的 24 # 肋位与主船
3. 2 横向弯曲 对于单体船的结构载荷主要考虑纵向中拱与
中垂 ,而对于三体船 ,则需要考虑横向中拱与中 垂 。横向弯矩的大小与侧体的横向位置 、自重 、载 重以及侧体的水线面面积等有关 ,横向中拱示意 见图 7 ,横向中垂示意见图 8 。
4 外载荷的施加及边界条件
取满载状态下纵浪中拱 、中垂 ,横浪中拱 、 中垂 4 种工况 ,采用传统的准静态法 ,进行近似
Concept ual St ruct ure Design and Finite Element Analysis of t he SWAM H
DENG Le ,YAN Renjun , HUANG Zhi2yuan ( School of Transpo rtatio n ,Wuhan U niversity of Technology ,Wuhan 430063 ,China) Abstract : A p rimary st ruct ural design had been done for a 54 m small waterplane area t rimaran. The dis2 t ributio n of st resses of t he t rimaran under designed load condition was analyzed qualitatively in ANS YS. The general pattern of st ress dist ributing were given for t he t rimaran ,especially fo r t he cro ss st ruct ure. Key words : t rimaran ; st ruct ural design ; FEA
1. 1 概况 该小水线面三体船为一艘车客渡船 ,排水量
约为 402 t ,垂线间长 54 m , 总型宽 16 m , 型深 5. 8 m ,吃水 3. 8 m ,载客 166 人 ,载车 13 辆 ,其他 船型参数 、总布置图及重量分布等数据参考文献 [ 2 ] 。船体材料为船用 A 级钢 ,σs = 235 M Pa ,杨 氏模量 E = 210 GPa , 泊松比 v = 0. 3 , 密度 ρ= 7 850 kg/ m3 。 1. 2 初步结构设计方案
的直接计算 。即将船舶静置于坦谷波上 ,不考 虑波浪的动压力 、波浪冲击力以及船舶在波浪 上运动时的惯性力 。纵向波浪 ,取坦谷波波长λ = 54 m ;横向波浪 ,取波长等于两侧体中心距λ = 13 m。
由于只是进行定性分析 ,因此波高根据《钢质 海船入级规范 (2006) 》按沿海航区限制营运的最 大有义波高取 4 m ;舷外水压力按照波形用静水 压力的形式施加 ;空船重量按照每站的重量分布 , 将它们分别近似地摊到模型在各站内的节点上 , 以集中力的形式施加 ;其他装载重量如主甲板车 辆载荷 、机电设备 、乘客 、食物货品等根据实际布 置情况近似地以等效节点力施加 。
邓 乐 ,严仁军 ,黄志远
(武汉理工大学 交通学院 ,武汉 430063)
摘 要 :对一艘长 54 m 的小水线面三体船进行初步的结构设计 ,采用有限元程序 ANS YS 对结构进行定 性分析 ,给出其应力的分布规律 ,并着重分析连接桥部位的应力分布 。
关键词 :三体船 ;结构设计 ;有限元分析 中图分类号 :U662. 2 文献标志码 :A
40
小水线面三体船结构概念设计及有限元分析 ———邓 乐 ,严仁军 ,黄志远
表 2 小水线面三体船主要构件的应力结果 MPa 改变连接桥横隔板数目和间距 ,对应
主要构件 潜体外板
纵浪中拱
σe
τmax
73. 3 34. 8
纵浪中垂
wk.baidu.comσe
τmax
84. 6 44. 9
横浪中拱
σe
τmax
三体船是近年来倍受国内外关注的一种新型 高速船 。与单体船和双体船相比 ,三体船具有良 好的横稳性 、耐波性 、兴波阻力特性 ,总布置灵活 。 三体船已成为国内外新船型研究的热点 ,并成为 美 、英等世界海军强国未来驱护舰 、航母 、两栖战 舰 、海洋考察船 、电子侦察船 、集装箱船 、滚装船等 高速水面舰船的主选船型之一 。然而 ,由于三体 船本身结构和载荷的复杂性 ,其结构分析较单体 船和双体船要复杂 ,对三体船的设计研究还处于 起步阶段 。
边界条件的处理采用船舶有限元分析中常用 的方法即惯性释放技术[5 ] 。
5 全船应力分布特点
各工况下主要构件的应力结果见表 2 (未列 出项表示结果很小) 。
连接桥湿甲板和主船体舷侧相交线上 Mi2 ses 应力典型的分布曲线见图 9 。从图 9 中可以 看到 :曲线上的峰值对应着有横舱壁的肋位 ,分 别是 18 # 、33 # 号肋位 ,曲线右端出现的逐渐上 升的一段区间对应的是连接桥与主船体连接横 向宽度逐渐减小的区域 。图 10 为横浪中拱时 主甲板在 33 # 肋位的 Mises 应力沿船宽分布曲 线图 ,曲线上峰值对应着连接桥与主船体相接 的位置 。
国内外高速三体船的研究主要集中在水动 力理论 、模型试验 、船型优化以及概念设计等方 面 ,也有少量关于结构强度方面的文献[1] ,尚无 相应的设计依据 。本文参考有关规范和文献 , 对一艘长 54 m 的小水线面三体船结构进行初 步的概念设计 ,并采用有限元程序对结构进行 定性的分析 ,初步了解该型船舶结构的受力特
轴 ,右舷到左舷为正 ;型深方向为 z 轴 ,向上为正 。 采用空间板梁结构模拟实际的结构 。主船
体与侧体的外板 、横舱壁 、实肋板与中龙骨的腹 板等用 4 节点或 3 节点板单元 SH ELL63 模拟 ; 实肋板和中龙骨的面板用杆单元 L IN K8 模拟 ; 其他横向和纵向强构件与弱构件均采用 2 节点 梁单元 B EAM188 模拟 。板单元网格大小按肋 骨和纵骨间距划分 ,边长比控制在 1 ∶2 以内 ; 杆单元 、梁单元依板单元的边划分网格 ,网格尺 寸与板单元相适应 。由于模型中首尾部分存在 一些小角度的面 ,造成这些位置的网格质量较 差 ,但考虑到首尾部分不是分析的重点 ,可忽略 其影响 。
95. 3 37. 6
横浪中捶
σe
τmax
43. 4 23. 2
力分布结果能产生较大影响 。横舱壁 典型的应力分布见图 11 。
支柱外板
60. 8 23. 4 51. 8 26. 7 63. 2 23. 0 42. 3 16. 7
主甲板
42. 4 19. 5 42. 6 19. 5 50. 0 22. 6 31. 3 13. 7
收稿日期 :2008203207 修回日期 :2008205212 作者简介 :邓 乐 (1983 - ) ,男 ,硕士生 。 研究方向 :船舶结构计算理论与方法 。 E2mail :deng1302 @163. co m
38
征和载荷在结构内部传递的路径 ,为后续的结 构优化提供参考 。
1 船舶概况及结构初步设计
小水线面三体船结构概念设计及有限元分析 ———邓 乐 ,严仁军 ,黄志远
体的 33 # 肋 位 在 同 一 横 剖 面 上 ; 连 接 桥 高 725 mm ,连接桥内的横隔板设置在与主船体横舱 壁相同的肋位处 。横剖面结构形式见图 1 。
图 1 典型横剖面图
根 据 CCS《钢 质 海 船 入 级 与 建 造 规 范 (2006) 》《、海上高速船入级与建造规范 (2000) 》及 《小水线面双体船设计与建造指南 (2004) 》,初定 主要构件尺寸见表 1 。
常规的单 体 船 的 纵 向 弯 曲 载 荷 分 为 两 种 情 况 :中拱和中垂 。对于三体船纵向弯曲 ,同样可分 为中拱和中垂两种情况 ,但是三体船不仅存在主 船体中拱和中垂的情况 ,还存在侧体中拱和中垂 的情况 。文献[ 3 ]认为侧体的纵向中拱和中垂的
39
第6期
船 海 工 程
第 37 卷
图 2 整船的三维有限元模型离散图
3 外载荷初步的分析探讨
确定船舶 结 构 波 浪 载 荷 的 方 法 有 静 力 分 析 法 、动态静力分析法 、动力分析法和水弹性分析 法 。其中动力分析法和水弹性法将船舶作为弹性 体结构考虑 ,是较精确的方法 ,但对于三体船这样 的新型船舶而且又是初步设计阶段 ,用这种分析 方法通常很困难 。因此采用波浪载荷的静力分析 法在船舶设计的初步阶段比较有实际意义 。本文 主要分析和讨论纵向和横向波浪情况 。 3. 1 纵向弯曲
主船体实肋板 109. 4 20. 9 59. 9 18. 5 99. 1 25. 3 53. 4 10. 8
主船体中龙骨 138. 3 39. 1 88. 9 26. 8 141. 6 41. 5 69. 4 19. 2
主船体强肋骨 115. 4
88. 1
111. 1
75. 6
主船体舷侧纵桁 30. 9
湿甲板
43. 8 16. 0 51. 1 22. 7 62. 5 21. 4 48. 1 17. 5
主船体横舱壁 77. 4 25. 2 70. 6 23. 6 97. 8 36. 7 85. 2 38. 9
连接桥横舱壁 84. 1 43. 3 101. 3 53. 4 117. 1 60. 2 51. 2 29. 2
影响是微不足道的 。三体船的整体结构设计应考 虑主船体中拱和中垂情况 ,此时与单体船的纵向 中拱和中垂并无很大区别 。
当纵向波浪的波长接近侧体的船长时 ,侧体 发生中拱或中垂弯曲 ,但在主船体的船长范围内 , 相当于有几个波峰和波谷出现 ,因此该波浪下产 生的纵向弯曲载荷并不大 。而对于波长与主船体 船长相差不大的波浪 ,当侧体处于波峰或波谷时 , 该波浪状况下将产生较大的波浪剪力和波浪弯 矩 ,这些情况见图 3～6 。
船舶在水中处于“全自由状态”,对船舶结构 进行有限元静力分析时 ,作用在结构上的重力及 浮力等载荷应该是一个自平衡的力系 。因此对全 船进行有限元直接计算时 ,需要对船舶在各种载 荷工况下的外载荷进行调整 ,保证施加在有限元 模型的外载荷几近平衡 ,才能使得在约束点附近 的应力结果不至于严重失真[4] 。对于舷外水压 力 ,需知道波浪水线在船中位置到基线的距离 d 和纵倾角度α, 将整体坐标系绕 Y 轴旋转α(°) 。 建立局部坐标系 ,在局部坐标系下采用 AN S YS 程序提供的函数载荷方法进行施加 。因此对于外 载荷的平衡 ,可通过多次调整试算 ,找到比较接近 的吃水及纵倾值 ,使得浮力与重力的大小大致相 等 ,浮心与重心位置几近平衡 。
S H IP
船海工程
Vol. 37 No . 6
& OCEAN EN GIN EERIN G
Dec. 2008
文章编号 :167127953 (2008) 0620038204
小水线面三体船结构概念设计及有限元分析
全船模型共有节点 22 185 个 , 单元 25 196 个 ,其中板单元 15 757 个 ,梁单元 8 916 个 ,杆单 元 523 个 。整船有限元模型见图 2 。
2 有限元计算模型
选择笛卡尔直角坐标系作为全船坐标系 ,坐 标原点取在纵中剖面船舯肋位的基线上 ,船长方 向为 x 轴 ,船尾到船首方向为正 ; 船宽方向为 y
主船体船底 、舷侧以及主甲板采用纵骨架结 构形式 ;侧体和连接桥区域采用横骨架结构形式 ; 主船体与侧体均采用单层底结构 ;舷侧强肋骨间 距和甲 板 强 横 梁 间 距 均 为 3 个 肋 位 , 肋 距 为 600 mm ;主船体与侧体的船底在每个肋位均设置 实肋板 ;中纵剖面处设置中龙骨 ;潜体最大宽度处 设置舷侧纵桁 ;主甲板在主船体中纵剖面及侧体 中纵剖面设置甲板纵桁 ;主船体在 5 # 、12 # 、33 # 、 56 # 、71 # 、81 # 肋位设置水密舱壁 ,侧体在其 10 # 、 24 # 肋位设置水密舱壁 ; 侧体的 24 # 肋位与主船
3. 2 横向弯曲 对于单体船的结构载荷主要考虑纵向中拱与
中垂 ,而对于三体船 ,则需要考虑横向中拱与中 垂 。横向弯矩的大小与侧体的横向位置 、自重 、载 重以及侧体的水线面面积等有关 ,横向中拱示意 见图 7 ,横向中垂示意见图 8 。
4 外载荷的施加及边界条件
取满载状态下纵浪中拱 、中垂 ,横浪中拱 、 中垂 4 种工况 ,采用传统的准静态法 ,进行近似
Concept ual St ruct ure Design and Finite Element Analysis of t he SWAM H
DENG Le ,YAN Renjun , HUANG Zhi2yuan ( School of Transpo rtatio n ,Wuhan U niversity of Technology ,Wuhan 430063 ,China) Abstract : A p rimary st ruct ural design had been done for a 54 m small waterplane area t rimaran. The dis2 t ributio n of st resses of t he t rimaran under designed load condition was analyzed qualitatively in ANS YS. The general pattern of st ress dist ributing were given for t he t rimaran ,especially fo r t he cro ss st ruct ure. Key words : t rimaran ; st ruct ural design ; FEA
1. 1 概况 该小水线面三体船为一艘车客渡船 ,排水量
约为 402 t ,垂线间长 54 m , 总型宽 16 m , 型深 5. 8 m ,吃水 3. 8 m ,载客 166 人 ,载车 13 辆 ,其他 船型参数 、总布置图及重量分布等数据参考文献 [ 2 ] 。船体材料为船用 A 级钢 ,σs = 235 M Pa ,杨 氏模量 E = 210 GPa , 泊松比 v = 0. 3 , 密度 ρ= 7 850 kg/ m3 。 1. 2 初步结构设计方案
的直接计算 。即将船舶静置于坦谷波上 ,不考 虑波浪的动压力 、波浪冲击力以及船舶在波浪 上运动时的惯性力 。纵向波浪 ,取坦谷波波长λ = 54 m ;横向波浪 ,取波长等于两侧体中心距λ = 13 m。
由于只是进行定性分析 ,因此波高根据《钢质 海船入级规范 (2006) 》按沿海航区限制营运的最 大有义波高取 4 m ;舷外水压力按照波形用静水 压力的形式施加 ;空船重量按照每站的重量分布 , 将它们分别近似地摊到模型在各站内的节点上 , 以集中力的形式施加 ;其他装载重量如主甲板车 辆载荷 、机电设备 、乘客 、食物货品等根据实际布 置情况近似地以等效节点力施加 。
邓 乐 ,严仁军 ,黄志远
(武汉理工大学 交通学院 ,武汉 430063)
摘 要 :对一艘长 54 m 的小水线面三体船进行初步的结构设计 ,采用有限元程序 ANS YS 对结构进行定 性分析 ,给出其应力的分布规律 ,并着重分析连接桥部位的应力分布 。
关键词 :三体船 ;结构设计 ;有限元分析 中图分类号 :U662. 2 文献标志码 :A
40
小水线面三体船结构概念设计及有限元分析 ———邓 乐 ,严仁军 ,黄志远
表 2 小水线面三体船主要构件的应力结果 MPa 改变连接桥横隔板数目和间距 ,对应
主要构件 潜体外板
纵浪中拱
σe
τmax
73. 3 34. 8
纵浪中垂
wk.baidu.comσe
τmax
84. 6 44. 9
横浪中拱
σe
τmax
三体船是近年来倍受国内外关注的一种新型 高速船 。与单体船和双体船相比 ,三体船具有良 好的横稳性 、耐波性 、兴波阻力特性 ,总布置灵活 。 三体船已成为国内外新船型研究的热点 ,并成为 美 、英等世界海军强国未来驱护舰 、航母 、两栖战 舰 、海洋考察船 、电子侦察船 、集装箱船 、滚装船等 高速水面舰船的主选船型之一 。然而 ,由于三体 船本身结构和载荷的复杂性 ,其结构分析较单体 船和双体船要复杂 ,对三体船的设计研究还处于 起步阶段 。
边界条件的处理采用船舶有限元分析中常用 的方法即惯性释放技术[5 ] 。
5 全船应力分布特点
各工况下主要构件的应力结果见表 2 (未列 出项表示结果很小) 。
连接桥湿甲板和主船体舷侧相交线上 Mi2 ses 应力典型的分布曲线见图 9 。从图 9 中可以 看到 :曲线上的峰值对应着有横舱壁的肋位 ,分 别是 18 # 、33 # 号肋位 ,曲线右端出现的逐渐上 升的一段区间对应的是连接桥与主船体连接横 向宽度逐渐减小的区域 。图 10 为横浪中拱时 主甲板在 33 # 肋位的 Mises 应力沿船宽分布曲 线图 ,曲线上峰值对应着连接桥与主船体相接 的位置 。
国内外高速三体船的研究主要集中在水动 力理论 、模型试验 、船型优化以及概念设计等方 面 ,也有少量关于结构强度方面的文献[1] ,尚无 相应的设计依据 。本文参考有关规范和文献 , 对一艘长 54 m 的小水线面三体船结构进行初 步的概念设计 ,并采用有限元程序对结构进行 定性的分析 ,初步了解该型船舶结构的受力特
轴 ,右舷到左舷为正 ;型深方向为 z 轴 ,向上为正 。 采用空间板梁结构模拟实际的结构 。主船
体与侧体的外板 、横舱壁 、实肋板与中龙骨的腹 板等用 4 节点或 3 节点板单元 SH ELL63 模拟 ; 实肋板和中龙骨的面板用杆单元 L IN K8 模拟 ; 其他横向和纵向强构件与弱构件均采用 2 节点 梁单元 B EAM188 模拟 。板单元网格大小按肋 骨和纵骨间距划分 ,边长比控制在 1 ∶2 以内 ; 杆单元 、梁单元依板单元的边划分网格 ,网格尺 寸与板单元相适应 。由于模型中首尾部分存在 一些小角度的面 ,造成这些位置的网格质量较 差 ,但考虑到首尾部分不是分析的重点 ,可忽略 其影响 。
95. 3 37. 6
横浪中捶
σe
τmax
43. 4 23. 2
力分布结果能产生较大影响 。横舱壁 典型的应力分布见图 11 。
支柱外板
60. 8 23. 4 51. 8 26. 7 63. 2 23. 0 42. 3 16. 7
主甲板
42. 4 19. 5 42. 6 19. 5 50. 0 22. 6 31. 3 13. 7
收稿日期 :2008203207 修回日期 :2008205212 作者简介 :邓 乐 (1983 - ) ,男 ,硕士生 。 研究方向 :船舶结构计算理论与方法 。 E2mail :deng1302 @163. co m
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征和载荷在结构内部传递的路径 ,为后续的结 构优化提供参考 。
1 船舶概况及结构初步设计
小水线面三体船结构概念设计及有限元分析 ———邓 乐 ,严仁军 ,黄志远
体的 33 # 肋 位 在 同 一 横 剖 面 上 ; 连 接 桥 高 725 mm ,连接桥内的横隔板设置在与主船体横舱 壁相同的肋位处 。横剖面结构形式见图 1 。
图 1 典型横剖面图
根 据 CCS《钢 质 海 船 入 级 与 建 造 规 范 (2006) 》《、海上高速船入级与建造规范 (2000) 》及 《小水线面双体船设计与建造指南 (2004) 》,初定 主要构件尺寸见表 1 。
常规的单 体 船 的 纵 向 弯 曲 载 荷 分 为 两 种 情 况 :中拱和中垂 。对于三体船纵向弯曲 ,同样可分 为中拱和中垂两种情况 ,但是三体船不仅存在主 船体中拱和中垂的情况 ,还存在侧体中拱和中垂 的情况 。文献[ 3 ]认为侧体的纵向中拱和中垂的
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第6期
船 海 工 程
第 37 卷
图 2 整船的三维有限元模型离散图
3 外载荷初步的分析探讨
确定船舶 结 构 波 浪 载 荷 的 方 法 有 静 力 分 析 法 、动态静力分析法 、动力分析法和水弹性分析 法 。其中动力分析法和水弹性法将船舶作为弹性 体结构考虑 ,是较精确的方法 ,但对于三体船这样 的新型船舶而且又是初步设计阶段 ,用这种分析 方法通常很困难 。因此采用波浪载荷的静力分析 法在船舶设计的初步阶段比较有实际意义 。本文 主要分析和讨论纵向和横向波浪情况 。 3. 1 纵向弯曲
主船体实肋板 109. 4 20. 9 59. 9 18. 5 99. 1 25. 3 53. 4 10. 8
主船体中龙骨 138. 3 39. 1 88. 9 26. 8 141. 6 41. 5 69. 4 19. 2
主船体强肋骨 115. 4
88. 1
111. 1
75. 6
主船体舷侧纵桁 30. 9
湿甲板
43. 8 16. 0 51. 1 22. 7 62. 5 21. 4 48. 1 17. 5
主船体横舱壁 77. 4 25. 2 70. 6 23. 6 97. 8 36. 7 85. 2 38. 9
连接桥横舱壁 84. 1 43. 3 101. 3 53. 4 117. 1 60. 2 51. 2 29. 2
影响是微不足道的 。三体船的整体结构设计应考 虑主船体中拱和中垂情况 ,此时与单体船的纵向 中拱和中垂并无很大区别 。
当纵向波浪的波长接近侧体的船长时 ,侧体 发生中拱或中垂弯曲 ,但在主船体的船长范围内 , 相当于有几个波峰和波谷出现 ,因此该波浪下产 生的纵向弯曲载荷并不大 。而对于波长与主船体 船长相差不大的波浪 ,当侧体处于波峰或波谷时 , 该波浪状况下将产生较大的波浪剪力和波浪弯 矩 ,这些情况见图 3～6 。
船舶在水中处于“全自由状态”,对船舶结构 进行有限元静力分析时 ,作用在结构上的重力及 浮力等载荷应该是一个自平衡的力系 。因此对全 船进行有限元直接计算时 ,需要对船舶在各种载 荷工况下的外载荷进行调整 ,保证施加在有限元 模型的外载荷几近平衡 ,才能使得在约束点附近 的应力结果不至于严重失真[4] 。对于舷外水压 力 ,需知道波浪水线在船中位置到基线的距离 d 和纵倾角度α, 将整体坐标系绕 Y 轴旋转α(°) 。 建立局部坐标系 ,在局部坐标系下采用 AN S YS 程序提供的函数载荷方法进行施加 。因此对于外 载荷的平衡 ,可通过多次调整试算 ,找到比较接近 的吃水及纵倾值 ,使得浮力与重力的大小大致相 等 ,浮心与重心位置几近平衡 。