水面艦船甲板局部靜強度測試軟件

李慧蕾 楊松林 李 坤 張家新 嚴(yán)家文 曾文源

1江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003 2江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江212003 3中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海200011

水面艦船甲板局部靜強度測試軟件

李慧蕾1楊松林1李 坤2張家新1嚴(yán)家文3曾文源3

1江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003 2江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江212003 3中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海200011

在總縱強度虛擬測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計艦船甲板及平臺局部結(jié)構(gòu)靜強度測試軟件。利用XML文檔與測試軟件的數(shù)據(jù)庫接口，將艦船測試模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)確導(dǎo)入系統(tǒng)，通過“載荷計算”、“甲板板強度計算”和“骨材強度計算”等流程實現(xiàn)基于國家軍用標(biāo)準(zhǔn)的甲板局部靜強度測試與驗證。軟件測試結(jié)果與人工校核的實船計算結(jié)果對比一致，達(dá)到了人機交互的數(shù)字化測試效果，與人工校核相比大大縮短了計算時間。

水面艦船；XML文檔；甲板強度；軍規(guī)測試；國家軍用標(biāo)準(zhǔn)

1 引言

目前，軍、民用船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是根據(jù)船舶檢驗部門或船級社頒布的有關(guān)規(guī)范進(jìn)行，在根據(jù)《船舶入級與建造規(guī)范》進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，因規(guī)范要求的條目繁瑣，計算量龐雜，且計算說明書也需要進(jìn)行整理。隨著計算機功能的日益強大，張文華［1］研制開發(fā)了內(nèi)河鋼船結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計計算程序（CCSRP），其主要包括船體結(jié)構(gòu)和錨泊設(shè)備兩部分的設(shè)計與校核；沈愷和秦圣平［2］開發(fā)了《船體強度與結(jié)構(gòu)設(shè)計》課程的輔助教學(xué)軟件，使學(xué)生可以依照中國船級社《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》的規(guī)定，完成散貨船橫斷面的設(shè)計和總強度的校核；李坤等［3］將傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強度測試手段與新興的“虛擬測試”理念相結(jié)合，編制了一款艦船總縱強度虛擬測試系統(tǒng)，以某型艦船的電子模型為測試對象，初步完成了艦船的總縱強度虛擬測試，顯示了將“虛擬測試”理念引入船舶校核領(lǐng)域后的優(yōu)越性。

本文將在上述測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)《艦船通用規(guī)范》（GJB4000-2000）［4］及《水面艦艇結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法》（GJB／Z119-99）［5］的要求，設(shè)計艦船甲板及平臺局部結(jié)構(gòu)靜強度測試軟件，并利用XML文檔與測試軟件的數(shù)據(jù)庫接口［6］，實現(xiàn)艦船測試模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確導(dǎo)入，通過“載荷計算”、“甲板板強度計算”和“骨材強度計算”等流程實現(xiàn)符合國家軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的甲板局部靜強度數(shù)字化測試與驗證。

2 測試方法

甲板和平臺結(jié)構(gòu)的局部強度按 《艦船通用規(guī)范》及《水面艦艇結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法》進(jìn)行測試和計算。

2.1 模型導(dǎo)入

測試系統(tǒng)使用的電子樣船模型來源于TRIBON系統(tǒng)輸出到船體XML文檔的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息（包括船體的各個分段、板架、開孔、剖面等及相關(guān)的屬性信息、拓?fù)湫畔⒑蛶缀螖?shù)據(jù)的建模特征等）［7］。首先，使用DOM解析器讀取整個船體XML文檔的節(jié)點屬性值，將XML中樹形層次的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)存儲到一系列自定義的船體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型中（圖1）。其次，利用特征識別方法對需要進(jìn)行測試的區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征判斷，判斷成功后，提取必要的結(jié)構(gòu)信息輸出到強度測試模塊進(jìn)行測試。

圖1 測試模型獲取Fig.1 Test model import

2.2 載荷計算

2.2.1 載荷類型判斷

本文將針對結(jié)構(gòu)的局部強度，通過用戶輸入計算肋位進(jìn)行截面的載荷和強度計算。首先，輸入肋位號計算該肋位的坐標(biāo)值和距船舯的距離，選擇計算載荷的類型（圖2）。

圖2 載荷計算類型選取Fig.2 Load calculation type selection

進(jìn)行載荷判斷時，程序會先對甲板及平臺是否裝載重物進(jìn)行判斷。當(dāng)甲板板厚大于20 mm時，還需計及結(jié)構(gòu)的重量。測試模型的甲板板厚小于10 mm，因此，只需進(jìn)行以下4種情況的載荷判斷：

1）飛濺水作用的載荷判斷。循環(huán)遍歷板架數(shù)組，判斷該層甲板上是否還有其它建筑結(jié)構(gòu)對其有遮蔽作用。將存儲的每一層甲板信息單獨取出，利用板的輪廓線信息與其余板架進(jìn)行對比，如果該塊甲板板架上的一些板區(qū)域在高度上并未被其它板的輪廓線信息覆蓋，那么基本可以判斷該部分為上甲板及艏艉樓甲板的露天部分。

2）考慮破損壓頭的載荷判斷。通過第1）條判斷遮蔽區(qū)域的X、Y、Z范圍，如果該區(qū)域垂直方向的遮蔽物不與該層甲板或平臺有直接的結(jié)構(gòu)連接，或者說沒有直接的重量作用于該層甲板上（一般屬于下層甲板或平臺），并且該層甲板或者平臺下無液艙結(jié)構(gòu)存在，那么該部分的計算載荷至少與對應(yīng)的艙壁破損壓頭相當(dāng)，即按破損壓頭計算。

3）如果遮蔽區(qū)域為上甲板遮蔽部分，并且不考慮破損壓頭（按板架附近是否存在艙壁結(jié)構(gòu)判斷）的下層甲板和平臺，則可按固定重物載荷方式計算。

4）判斷是否有液艙結(jié)構(gòu)型式存在，即判斷各個肋位處艙壁板架的水密性。作為液艙結(jié)構(gòu)一部分的甲板或平臺，需取高達(dá)艙頂?shù)膲侯^作為計算載荷。

本文的測試甲板、4種載荷的判斷情況如圖3所示。其中，船首至63#肋位的陰影區(qū)表示按破損壓頭載荷類型計算，63#～83#的陰影區(qū)需要按固定重物載荷類型計算，其余無覆蓋區(qū)則按飛濺水壓力計算。導(dǎo)入板架信息后，程序會自動計算載荷類型的分布情況，用戶可以根據(jù)輸入的肋位號進(jìn)行選擇。

2.2.2 計算方法

1）上甲板、艏艉樓甲板露天部分由飛濺水作用的計算載荷按式（1）確定：

式中，P 為計算壓力，kPa；Δ 按式（2）取值，不小于0.5 m。

式中，X為計算截面距船中的距離，m （腫向艏為正，向艉為負(fù)）；L為正常排水量時的船長，m；hf為所計算剖面的干舷高度，m。

對于所計算截面的干舷高度，可以根據(jù)該截面的X值和甲板板架的詳細(xì)輪廓線信息（描述板架輪廓的三維坐標(biāo)點）進(jìn)行插值計算，得到相應(yīng)截面的甲板邊線高度，減去吃水值即為干舷高度。

圖4 飛濺水壓力分布圖Fig.4 Splash water pressure distribution

TRIBON XML的板信息寫入時僅有一個大的板組輪廓線，板組內(nèi)的板是通過一條條板縫線進(jìn)

圖5 附加壓頭高度計算界面Fig.5 Additional pressure calculation interface

2）保證艦艇不沉性的甲板，其計算載荷至少應(yīng)與其對應(yīng)的艙壁破損壓頭相當(dāng)。破損壓頭計算載荷取破損壓頭水壓值，按下式計算：

式中，P為破損壓頭，kPa；T為艦艇正常排水量時的吃水，m；Z為所計算構(gòu)件距基線的高度，m；hB為附加壓頭高度，m。

附加壓頭高度根據(jù)具體的艦艇型式，即按照有無艏樓及甲板脊弧 （甲板中線在船長方向的曲度）以及艏樓和橋樓的長度來確定。本文以主甲板為測試算例，根據(jù)程序判斷，在其上還有一層上甲板承擔(dān)橋樓和飛濺水壓力的作用，因此，該層甲板沿船長方向的附加壓頭hB按具有甲板脊弧的型式進(jìn)行計算，如圖5所示。根據(jù)甲板中線的三維輪廓信息，輸出船長為行的分割。因此，對于所計算構(gòu)件距基線的高度值，可通過循環(huán)遍歷板縫線數(shù)組，找出計算肋位前后相鄰的兩條板縫線并分別求得其Z值的平均值，記作Z1和Z2，然后再將Z1和Z2求平均值，即可得到計算肋位的板構(gòu)件距基線的高度平均值。

最后，根據(jù)式（3）得到測試模型沿船長方向的破損壓頭分布曲線（圖6）。

圖6 破損壓頭水壓值分布Fig.6 Distribution of damaged water pressure

3）上甲板遮蔽部分，以及不考慮破損壓頭的下層甲板和平臺的計算載荷按式（4）計算：

式中，P為計算壓力，kPa；P1為固定重物載荷，kPa；P2取 4.91 kPa。

固定重物載荷信息目前在TRIBON XML中還不能全面導(dǎo)出，但可以利用查詢TRIBON中各個分段板架和板的重心重量信息將其錄入Excel表格中，在程序中讀取表格進(jìn)行計算。

4）作為液艙結(jié)構(gòu)一部分的甲板或平臺，取高達(dá)艙頂?shù)膲侯^作為計算載荷，當(dāng)液艙裝有空氣管和注入管時，還需計入上述管子高度的水柱壓頭。

本文以12＃肋位為例，計算肋位的坐標(biāo)值、截面距船舯的距離、載荷的類型參數(shù)、全船壓力分布表以及通過插值計算繪制的截面簡圖［8］如圖7和圖8所示。

2.3 甲板板強度計算

甲板板與平臺板一般按四周剛性固定、承受均布載荷的板計算。選取許用應(yīng)力時，當(dāng)甲板板與平臺板按承受固定重物載荷作為計算載荷時，許用應(yīng)力?。郐遥荩?.60σs；當(dāng)甲板板與平臺板按承受偶然載荷，如飛濺水載荷、人群重量、炮口氣體壓力和艦體搖擺慣性力作為計算載荷時，許用應(yīng)力?。郐遥?0.80σs計算，其中 σs=235 MPa。

圖7 12＃肋位計算截面簡圖Fig.7 12＃ section calculation diagram

圖8 12#肋位計算截面載荷信息Fig.8 12#section calculation load information

圖9所示為一塊長邊為a、短邊為b、厚度為t的絕對剛性板，四周剛性固定，承受均布載荷。

圖9 板彎曲的坐標(biāo)系統(tǒng)Fig.9 Coordinate system of plate bending

式中，M為板中心處平行x軸的剖面上的最大彎矩，查《船舶設(shè)計實用手冊》［9］可知跨中處（x＝a／2，y ＝b／2）M ＝k3Pb2，邊 界 處 （x ＝0 a，y ＝b／2）M ＝k5Pb2，其中P為前文求得的計算載荷：t為甲板板厚，程序根據(jù)a／b的值讀取系數(shù)表確定k3、k5的取值。計算結(jié)果顯示如圖10。

對于縱骨架式的甲板板架，板格的長邊為縱骨的跨距，即縱骨貫穿的相鄰兩個肋板之間的距離。遍歷肋板的安裝線信息，取計算肋位所處的相鄰兩個肋板的間距作為長邊長度，短邊長度為板架上該計算肋位的縱骨間距，一般在 0.3～0.6 m 之間，測試模型的骨材間距為0.4 m。進(jìn)行甲板邊線處的梯形板格計算時，程序會選取其兩條短邊中

圖10 甲板板強度計算窗口Fig.10 Deck plate and flat bedplate strength calculation

板內(nèi)的最大正應(yīng)力按垂直于y軸的剖面上下表面正應(yīng)力（N／mm2）：較長的一條作為短邊長度進(jìn)行計算。最后，統(tǒng)計計算肋位的所有板格計算結(jié)果，選取最大的跨中彎矩和邊界彎矩及正應(yīng)力輸出。計算結(jié)果可輸出到界面表格中，也可實時輸出到Excel表格（圖11）。

圖11 計算結(jié)果表格輸出Fig.11 Output of calculation results

2.4 甲板縱骨強度計算

甲板縱骨和平臺縱骨一般可按剛性固定在甲板橫梁上承受均布載荷的梁計算，其計算簡圖如圖12所示。

圖12 甲板縱骨計算簡圖Fig.12 Deck longitudinal stiffener calculation diagram

遍歷甲板骨材數(shù)組，輸出計算肋位的骨材剖面參數(shù)值，得到測試樣船的縱骨類型為P6（剖面參數(shù)：BulbFlat60*17.5*3.5*5） 和 P7 （剖面參數(shù)：BulbFlat70*18.3*3.8*5）型號的球扁鋼（圖 13）。 在界面上選取球扁鋼后，程序會自動查詢型材庫信息并輸出對應(yīng)型號型材的剖面積和型材慣性矩，點擊計算后，輸入骨材型號、帶板寬度和帶板厚度（在這里，帶板寬度取其間距，但不能大于縱骨的1／6跨距，因此本文取帶板寬度為25 cm；帶板厚度為計算肋位甲板板厚度）。點擊計算，可得到型材的一系列參數(shù)；點擊輸出，計算結(jié)果便自動輸出到界面表格。其中，骨材剪切面積和自由邊剖面模數(shù)值需參與縱骨強度計算（圖14）。

圖13 縱骨類型選取Fig.13 Longitudinal stiffener type selection

圖14 型材參數(shù)計算Fig.14 Calculation of profile parameters

許用正應(yīng)力和剪應(yīng)力的選取方法：當(dāng)甲板和平臺按承受固定重物載荷作為計算載荷時，許用應(yīng)力取［σ］＝0.60σs，剪切應(yīng)力取［τ］＝0.34σs；當(dāng)甲板與平臺按承受偶然載荷作為計算載荷時，許用應(yīng)力?。郐遥荩?.60σs，剪切應(yīng)力?。郐樱荩?.46σs，其中 σs＝ 235 MPa。

參照計算簡圖，邊界處和跨中處的彎矩、剪力計算公式如下：

圖15 甲板縱骨計算結(jié)果Fig.15 Calculation results of longitudinal stiffener

2.5 測試案例

本文分別選取MID－MDK1甲板板架的12＃、25＃、40＃、65＃、80＃和 95＃ 肋位進(jìn)行了甲板板強度計算和甲板骨材強度計算，計算結(jié)果如表1和表2所示。

2.6 測試結(jié)果

測試軟件的整個運行過程比較穩(wěn)定，軟件的使用也基本達(dá)到了人機交互的數(shù)字化測試效果。將上述測試結(jié)果與人工校核的實船甲板局部強度計算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果一致，結(jié)構(gòu)的測試應(yīng)力均達(dá)到了許用應(yīng)力要求。

3 結(jié) 語

通過構(gòu)建基于TRIBON XML文檔數(shù)據(jù)提取的艦船甲板局部靜強度測試軟件，大大縮短了原先的人工校核計算時間，提高了工作效率和準(zhǔn)確性。在整個測試過程中，各個功能模塊的運行較穩(wěn)定，對于不滿足規(guī)范需求的測試結(jié)果，需進(jìn)一步分析和修改船體結(jié)構(gòu)型式，使其承載能力達(dá)到規(guī)范要求。但就目前的測試數(shù)據(jù)來源情況看，中性文件的選取僅有船體XML這一種型式，今后還需要在增加中性數(shù)據(jù)文件的種類和軟件接口方面進(jìn)行更多的探索。

表1 甲板板強度計算案例Tab.1 Deck plate strength calculation example

表2 甲板骨材強度計算案例Tab.2 Deck stiffeners strength calculation example

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A Method of Deck Local Static Strength Test of Naval Surface Ship

Li Hui－lei1Yang Song－lin1Li Kun2Zhang Jia－xin1Yan Jia－wen3Zeng Wen－yuan3

1 College of Marine and Shipbuilding Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China 2 Jiangsu Modern Shipbuilding Technology Co.Ltd，Zhenjiang 212003，China 3 Marine Design and Research Institute of China， Shanghai 200011， China

A deck and platform local strength calculation software of naval surface ship has been designed based on the longitudinal strength virtual test system in this paper.Using the interface between XML document and test software database， the model data were successfully imported to test system.Through the process of“l(fā)oad calculation”， “deck plate strength calculation” and “stiffeners strength calculation”， the software completed deck strength test based on naval rules.Software test results are consistent with that of the real ship calculation book verified manually.The software implements a man－machine interactive test interface and reduces largely computing time.

surface ship； XML document； deck strength； naval rules test； military standard

U663.6

A

1673－3185（2012）02－50－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2012.02.009

2011-07-13

國家部委基金資助項目（×××20060368）

李慧蕾（1987－），女，碩士研究生。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)。E-mail：444256435＠qq.com

楊松林（1956－），男，教授。研究方向：船舶流體力學(xué)。E-mail：ysl560516@vip.163.com

楊松林。

［責(zé)任編輯：喻 菁］