120客位穿浪双体船强度有限元分析.

120客位穿浪双体船强度有限元分析

武会强李治彬赫伟建

（大连海事大学轮机工程学院大连116026）

摘要对双体船强度进行有限元分析时，首先建立起船体中间舱段三维有限元结构模型，计算出强度分析需要的外载荷，然后结合有限元模型的边界条件，计算出船体在外载荷下的应力和变形以及它们的分布情况，从而校核该穿浪双体船的强度是否足够。

关键词穿浪双体船有限元

1 120客位穿浪双体船船型及结构简介

120客位穿浪双体船是近期研制开发的一条高性能船舶，该船采用一种新船型——穿浪水翼船型。它是由单体水翼船型、双体穿浪船型、深V船型等耐波性优良船型复合而成。具体而言，它是以双体穿浪船型为基础，在尾部两个片体之间设尾水翼，在首部片体设反向龙骨；片体为穿浪深V船型。由此可见，120客位穿浪双体船是一种复合船型，它兼具单体水翼船和穿浪双体船的优点。概括说，它具有优良的耐波性和舒适性；具有较为经济的高航速，在风浪中能保持高速安全航行；操作管理简便、造型美观。

本文所计算的穿浪双体船主体和片体都采用铝质结构。双体船总长35.1米，水线长31.24米，型宽10.2米，片体型宽1.8米，片体中心距为8.4米，静态平均吃水为1.28米，排水量80.1立方米，航速为24节，主要航行于渤海湾海域，既可载客，又可装载车辆。由于要保证双体船的穿浪特性，所以船体线型不同于一般船舶，它的线型变化较大，船体的横剖面几何要素变化也较大。

2 强度分析方法

由于该穿浪双体船在结构上不同于常规船舶，它具有双体结构、连接桥和水翼，又能穿浪行驶，在斜浪工况下，船体受横向弯曲的作用力较大，因此除校核总纵强度外，横向强度是需要校核的主要工况。鉴于穿浪双体船船体结构和计算工况的复杂性，采用传统粱理论的简化方法进行计算是不够的。因此，将双体船中间主要舱段的结构作为一个整体，应用船舶结构直接设计计算方法进行强度的计算分析是很有必要的。该方法主要是在船舶外载荷分析的基础上采用计算机技术、有限元方法和程序，对船体结构进行整船或舱段的准静态三维有限元强度计算分析，计算出船体结构的变形和应力分布，并与相应的强度标准进行比较，从而对船体强度作出判断。这种方法能够考虑到船体各横剖面的结构特性，而且也能够计及船体纵向结构变化的影响，是评价船体强度的一种有力手段。

3 船体中间舱段有限元模型的建立

本文采用通用有限元软件对穿浪双体船的中间舱段进行实体几何建模，然后对几何模型进行网格划分。中间舱段所有的甲板、舱壁、底部、舷侧、上层建筑、纵横舱壁和支柱都被离散成有限元模型，模型单元主要采用板单元和粱单元。其中板单元用于离散船体的甲板、底板、舷侧外板、舱壁板等，连接桥底部的水密横隔板、纵隔板，片体的底部龙骨和肋板、舷侧肋骨等构件的腹板也以板元进行离散。粱元主要用以离散船体甲板的横梁、纵绗，舷侧船体上层建筑扶强材及船体纵骨等。构造三维有限元模型的依据是穿浪双体船图纸，其中包括型线图、上层建筑结构图、主甲板结构图、中纵剖面结构图、底部结构图及船体横剖面图等。船体三维有限元模型计算重点是分析主船体的强度。

4 外载荷计算

考虑到本船船体受横向弯曲的作用力较大，本文将主要计算双体船在水压力和横向弯矩的组合工况下应力与应变的分布，外载荷计算采用挪威船级社«高速轻型艇入级暂行规范»提供的方法。依据规范第一章第三节D301条款，双体船的横向弯曲力矩公式为：

s

b

a

M

v

s

/

-

⨯

∆

＝KN·m

其中，4.8

=

b，两个片体中心距，m；

1.

80

＝

∆ , 满载排水量，T；

s = 6.5 , 航区系数，

航区半径R ≤ 90 海里

8.9

5.0

5.0⨯

=

=g

a

v

，加速度2

/s

m；

经计算得出：

2.3915.6/4.85.08.91.80=-⨯⨯＝S M KNm 5 有限元分析

本船进行有限元分析的边界条件是在中间舱段的尾部选取两节点约束X 、Y 、Z 方向位移，首部选取一节点约束Y 和Z 方向的位移，允许船体

纵向有自由移动，从而保持整个结构模型无刚体位移。边界条件确定后，在进行有限元结构模型准静强度分析时，正确的外载荷加载是成功计算的一个关键问题。对双体船中间舱段的有限元模型施加静水压力和横向弯曲力矩，计算出该舱段结构的等效

应力分布如图所示。

图1 横向弯矩应力分布图

6 结论

船体的片体结构除受到弯矩作用外，其底部直接受到水压力的作用。从上图可以看出，片体舷侧板的应力是首尾大于船中，底部大于连接桥部位，外舷大于内舷；片体底部外板的应力后端大于前端，横向变化不大，且左右对称。应力最大值在#52剖面左右片体底部中间部位，为44.5 Mpa ，远小于铝质材料的许用应力117.5Mpa 。因此，有限元分析结果表明，该双体船在静水压力和横向弯矩的组合工况下强度是满足的。

参考文献

[1] 李治彬 120客位穿浪双体船说明书 ； [2] 挪威船级社 高速轻型艇入级暂行规范 ；

[3] 王杰德，杨永谦 船体强度与结构设计，国防工业出版社，1995

作者简介：武会强(1975－ )，男，河南安阳人，硕士研究生，大连海事大学轮机工程学院 电话: 1366-420-9357