某高速巡邏艇局部強(qiáng)度直接計(jì)算

陳亮亮+朱小楠+陳南華+簡(jiǎn)開勇

摘 要：針對(duì)某高速巡邏艇的局部強(qiáng)度問題，采用Patran軟件建立全船有限元模型，提出了基于中國(guó)船級(jí)社《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》（2011）改進(jìn)的方法對(duì)其甲板板架、舷側(cè)板架、船底板架和艙壁板架的局部強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，本文計(jì)算方法方便實(shí)用，操作簡(jiǎn)單，可為此類船型的局部強(qiáng)度計(jì)算提供參考。

關(guān)鍵詞：高速巡邏艇；局部強(qiáng)度；直接計(jì)算法；計(jì)算載荷

中圖分類號(hào)：U661.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：For the local strength of fast patrol boat， the whole FEM model is built by the Patran software and the modified method based on the CCSs Rules for Classification of Surface Naval Ship （2011） is adopted to evaluate the local strength of deck frames， side hull frames， bottom frames and bulkhead frames. The results show that this calculation method is convenient and easy for operation.

Keywords：Fast patrol boat； Local strength； Direct calculation； Calculation loads

1 前言

高速巡邏艇由于其航速較快，首部會(huì)和水面發(fā)生劇烈的砰擊現(xiàn)象，在局部載荷作用下其局部強(qiáng)度顯得比較重要[1-2]。準(zhǔn)確計(jì)算其遭受的外載荷和評(píng)估其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)高速巡邏艇的設(shè)計(jì)和營(yíng)運(yùn)具有重要意義。當(dāng)前專門針對(duì)高速巡邏艇外載荷和局部強(qiáng)度直接計(jì)算的文章還很少見，已經(jīng)發(fā)表的研究成果主要有砰擊載荷局部壓力系數(shù)[3]的計(jì)算，砰擊載荷作用下船底肋骨等效設(shè)計(jì)壓力[4]的確定，以及針對(duì)門架[5]、汽車渡船機(jī)艙[6]、甲板錨機(jī)基座[7]、船首瞬態(tài)響應(yīng)[8]等局部強(qiáng)度的直接計(jì)算。由于高速船外載荷計(jì)算難度很大，這方面的研究成果鮮有發(fā)表，而關(guān)于高速巡邏艇的強(qiáng)度尤其是局部強(qiáng)度的直接計(jì)算流程就更少見。

本文首先基于CCS規(guī)范給出的外載荷計(jì)算公式求得了某新設(shè)計(jì)的高速巡邏艇的設(shè)計(jì)載荷，然后采用Patran/Nastran軟件建立三維有限元模型，在確定載荷加載方式、網(wǎng)格劃分方式、邊界條件等因素后進(jìn)行求解，得到應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果。本文系統(tǒng)地建立了該船型局部強(qiáng)度的直接計(jì)算法方法，簡(jiǎn)單實(shí)用，操作方便。

2 船型概述與有限元模型

本文應(yīng)用基于CCS規(guī)范[1]中改進(jìn)的方法對(duì)某新設(shè)計(jì)的高速巡邏艇進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)直接計(jì)算，該艇的主要參數(shù)如下：

在CCS規(guī)范中明確要求甲板、船側(cè)、船底和艙壁四種板架應(yīng)按照直接計(jì)算方法校核，可以用板架模型分別校核，作為各類板架結(jié)構(gòu)模型的替代，也可以采用艙段模型在一次計(jì)算中同時(shí)完成甲板、船側(cè)、船底和艙壁結(jié)構(gòu)的計(jì)算。

如果采用板架模型進(jìn)行校核，則需要建立諸多模型，邊界條件的施加對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響比較敏感，對(duì)計(jì)算人員的理論水平要求較高；即便采用艙段模型代替板架模型的計(jì)算，也需要對(duì)各個(gè)艙段分別計(jì)算。

為了更加方便快捷的完成該船型的局部強(qiáng)度計(jì)算，本文采用整船模型一次性完成主船體結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算，有限元模型見圖1?？傮w坐標(biāo)系取右手直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)取在中縱剖面內(nèi)尾垂線（#0）和基線相交處，x軸沿船長(zhǎng)向首為正方向，y軸沿船寬向左舷為正方向，z軸沿型深向上為正方向。

有限元模型網(wǎng)格，沿船體縱向按肋距劃分，沿船體橫向和垂向按縱骨間距劃分。船體的板構(gòu)件、強(qiáng)框架、桁材的高腹板用四節(jié)點(diǎn)板殼單元模擬，盡量少采用三角形單元；扶強(qiáng)材和桁材面板、支柱等用梁?jiǎn)卧M，并考慮各構(gòu)件的實(shí)際截面和偏心。模型總共有11 989個(gè)節(jié)點(diǎn)、13 660個(gè)板單元、11 135個(gè)梁?jiǎn)卧?/p>

對(duì)于邊界條件的規(guī)定，規(guī)范中的表述為：模型前后端為對(duì)稱邊界條件；橫艙壁與舷側(cè)交線橫向、垂向位移為零，如圖2所示。主船體為鋼結(jié)構(gòu)，彈性模量為2.06 X 105 MPa，泊松比為0.3。.

3 艙段的計(jì)算工況和載荷

CCS規(guī)范中給出了作用在整個(gè)船體結(jié)構(gòu)上的船體梁載荷，也給出了作用在船體局部結(jié)構(gòu)上的用以校核結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的設(shè)計(jì)載荷。由于艦艇航速不同，船體所受外載荷的性質(zhì)也不同，本艇相對(duì)速度=10.21>7.38，屬于高速船的范疇，故給出以下適用于7.38的水面艦艇所受的外載荷計(jì)算公式與相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

3.1 甲板載荷

露天甲板及上層建筑的各層露天甲板及其甲板室和后壁板下緣的壓力可以按下式計(jì)算，但≮5 ：

3.2 舷側(cè)板架載荷

3.2.1 舷外海水壓力

舷側(cè)計(jì)算壓力P按下式計(jì)算：

3.2.2 液艙艙壁壓力

液艙艙壁壓力與該處艦艇的垂向加速度、液艙頂?shù)娇諝夤茼數(shù)木嚯x等因素有關(guān)，規(guī)范中給出的計(jì)算壓力取以下二者中的大值：

3.3 船底板架載荷

船底部水壓力取值為船底波浪沖擊壓力，由下式確定：

3.4 艙壁載荷

3.4.1 水密艙壁壓力

4 計(jì)算結(jié)果與分析

在完成有限元模型建立、載荷施加和提交求解之后，得到了不同工況下船體板架的應(yīng)力響應(yīng)。其中，許用應(yīng)力取為中面應(yīng)力，剪切應(yīng)力取“Max Shear 2D”。

根據(jù)《規(guī)范》的規(guī)定，用直接計(jì)算法校核板架強(qiáng)度時(shí)許用應(yīng)力按以下取定：

許用相當(dāng)應(yīng)力為=180 N/mm2

許用剪切應(yīng)力為=94 N/mm2endprint

具體計(jì)算結(jié)果如表1所列。

由表1可知，相應(yīng)的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果滿足規(guī)范衡準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)符合安全性要求。

相當(dāng)應(yīng)力的響應(yīng)最大值在工況1的“船尾～FR8”和“FR55～FR67”兩個(gè)艙段范圍內(nèi)；剪切應(yīng)力的響應(yīng)最大值在工況1的“FR78～船首”艙段范圍內(nèi)，如圖3～圖5所示。

由圖3～圖5可以看出，相當(dāng)應(yīng)力響應(yīng)的最大值在具有大的液艙艙壁處和具有外飄較大的艙段，由于船側(cè)的砰擊壓力較大，對(duì)該處的結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響也較大。

工況2的結(jié)構(gòu)應(yīng)力相應(yīng)較小，結(jié)果如圖6～圖7所示。

工況2的主要載荷是液艙艙壁載荷，由于在FR8處的艙壁處有一個(gè)液艙，液艙壓頭比較大，對(duì)艙壁垂直桁和水平桁的影響也較大，因此在具有液艙布置處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要多加注意。

5 結(jié)論與討論

本文根據(jù)CCS《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》（2011）對(duì)某新設(shè)計(jì)的高速巡邏艇的局部強(qiáng)度采用直接計(jì)算法進(jìn)行了全船建模強(qiáng)度評(píng)估，得到以下結(jié)論：

（1）通過計(jì)算表明該規(guī)范中有關(guān)環(huán)境外載荷的計(jì)算相對(duì)合理，能夠反映出不同結(jié)構(gòu)位置所受載荷的特點(diǎn)；

（2）通過直接計(jì)算總結(jié)了高速巡邏艇的船體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在船體液艙壓力和砰擊壓力較大位置的局部板架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)較大；

（3）給出了一套合理的高速巡邏艇直接計(jì)算方法和完善的分析流程，為今后工作提供了一個(gè)參考依據(jù)。

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