某小水線面雙體船下水強(qiáng)度計(jì)算

張旭

摘? ? 要：本文介紹了某小水線面雙體船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在下水方面的特殊性。采用有限元法，對(duì)該船下水典型工況進(jìn)行了強(qiáng)度分析，得到在相應(yīng)工況下的應(yīng)力分布特點(diǎn)，取得了有意義的研究成果， 可供小水線面雙體船建造生產(chǎn)或類似計(jì)算參考。

關(guān)鍵詞：小水線面雙體船;下水;有限元方法

中圖分類號(hào)：U663? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Launching Strength Calculation of Small Waterplane

Area Twin-hull （SWATH） Ship

ZHANG Xu

（ China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064 ）

Abstract： The structural characteristics and particularity in launching of small waterplane area twin-hull （ SWATH） ship are described in this paper. With finite element method， launching strength calculation under typical working conditions is carried out， the stress distribution characteristics of the SWATH ship under the work conditions is obtained， some meaningful results on the launching strength of the SWATH ship are obtained as references for its construction or similar calculation.

Key words： SWATH ship; Launching calculation; Finite element method

1? ? ?引言

船舶下水是在船舶建造基本竣工之后， 將船舶從船臺(tái)建造區(qū)移到水中去的工藝過(guò)程。下水按原理分類，大致可分為三大類：重力式下水、漂浮式下水和機(jī)械化下水。

縱向下水雖然操作工藝較為復(fù)雜，下水過(guò)程中尾浮時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的前支點(diǎn)壓力，對(duì)首部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良的影響。但縱向下水方式具有設(shè)備簡(jiǎn)單、建造費(fèi)用少和維護(hù)管理方便等優(yōu)點(diǎn)，所以目前仍被廣為采用[1，2]。船舶縱向下水是極其重要且事故因素較多的一項(xiàng)工藝過(guò)程，研究下水過(guò)程中的船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及可能出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，是討論下水工藝措施的必備條件。

小水線面雙體船（SWATH）是一種耐波性優(yōu)良、操縱性好、航向穩(wěn)定性好、甲板面積大的特種船舶[3]，一般由2 個(gè)流線型的水下潛體、連接水下潛體與上船體之間的狹片狀雙支柱體和高出水面的上層船體三部分組成[4]。

小水線面雙體船與常規(guī)的單體船水下及水線附近結(jié)構(gòu)形式差異較大，其下水與常規(guī)船舶下水有很大的差異，常用的理論計(jì)算方法無(wú)法適用于此類船舶。如何得出小水線面雙體船在船臺(tái)下水時(shí)船體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和應(yīng)力分布狀態(tài)，是下水工程的難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。因此分析其下水過(guò)程，采用有限元方法對(duì)其下水強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算， 研究結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并清晰的展示船舶下水時(shí)的應(yīng)力分布特性，進(jìn)而可以有針對(duì)性的采取措施避免事故發(fā)生，保障下水安全。

2? ? ?船舶概況

小水線面雙體船獨(dú)特的外形決定了其結(jié)構(gòu)方案也與其他類型船舶大為不同，某1 000 t級(jí)小水線面雙體船主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）主船體采用高強(qiáng)度鋼，上層建筑采用普通鋼;

（2）采用橫骨架式和較小的肋距（500㎜）;

（3）主船體部分設(shè)有連接橋抗扭箱體，箱體內(nèi)縱壁與片體內(nèi)舷對(duì)齊;設(shè)置包括前后箱體端壁在內(nèi)的數(shù)道主橫艙壁，并盡量延伸到片體中，成為片體的橫隔壁，每三～四檔設(shè)置強(qiáng)框架;

（4）片體內(nèi)設(shè)置濕甲板，采用雙層結(jié)構(gòu)以保證甲板的強(qiáng)度和剛度，提高橋體的剖面模數(shù);片體內(nèi)設(shè)置包括前后橋端壁在內(nèi)的數(shù)道水密艙壁。每三～四檔設(shè)置強(qiáng)框架，以避免水下部分的外力僅通過(guò)橫艙壁傳遞到橋體而產(chǎn)生應(yīng)力集中，并增加片體自身剛度;

（5）該船長(zhǎng)度相對(duì)較短，片體狹長(zhǎng)，橫向強(qiáng)度、剛度較弱，底部肋板開(kāi)孔多、板厚薄，這些因素都不利于下水過(guò)程中船底承受支反力。為了準(zhǔn)確計(jì)算出本船在船臺(tái)下水時(shí)，船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的具體情況，本文在合理的范圍內(nèi)等效、簡(jiǎn)化實(shí)際狀態(tài)為較簡(jiǎn)潔的力學(xué)模型，采用有限元方法對(duì)該船的下水強(qiáng)度進(jìn)行校核。

3? ? 下水過(guò)程分析

船體梁在下水過(guò)程中的任意位置，都在重力、浮力和支墩反力的共同作用下保持平衡，因此本文在靜力學(xué)的范疇內(nèi)分析和處理問(wèn)題[5]。小水線面雙體船縱向下水的全過(guò)程，在理論上可分為兩個(gè)階段：第一階段為船體入水前，船體被擱置在多個(gè)彈性支座上，此時(shí)可將船體視為剛性體;第二階段為船體入水后船體浮力逐步取代支座支承力的這段過(guò)程。首先在船尾處產(chǎn)生浮力，船尾開(kāi)始上浮，在一定船長(zhǎng)范圍內(nèi)仍有許多支座支撐著船體，在浮力、支座反力以及重力的作用下，可將船體視為彈性體。支承反力并非僅作用在端部前支點(diǎn)一個(gè)支座上，可認(rèn)為支承反力分布在船端一些獨(dú)立的彈性支座上[6，7]。

結(jié)合上述下水過(guò)程，可初步得到船舶入水前和入水后在起浮過(guò)程中的比較危險(xiǎn)的兩種狀態(tài)：

（1）第一種危險(xiǎn)狀態(tài)

入水前，設(shè)定該船移至平臺(tái)小車上，將所有中間支撐（連接橋處）和臨時(shí)加強(qiáng)取消，只保留潛體下端塢墩支撐。此時(shí)船舶支撐最少，因還未入水不會(huì)產(chǎn)生浮力的作用。此時(shí)，船位于船臺(tái)上，由設(shè)立在該船左右兩個(gè)下潛體上26處肋位的塢墩進(jìn)行支撐;這種狀態(tài)下強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，只需考慮船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備的自重。

（2）第二種危險(xiǎn)狀態(tài)

船舶入水后起浮，出現(xiàn)0.36°的首傾，此時(shí)平均吃水為3.19 m，此時(shí)只有首支點(diǎn)（7號(hào)肋位）受力，并且受力為極端狀況，計(jì)算時(shí)需考慮船體的傾斜、船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備的自重、首支點(diǎn)反力，以及平均吃水3.19 m時(shí)受到的水浮力等載荷。

由于經(jīng)典的下水理論難以確定小水線面雙體船的應(yīng)力分布情況，需要借助有限元分析，獲取船舶下水時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)及其分布，以保障下水工程的安全性。

4? ? ?下水強(qiáng)度校核

采用大型通用有限元軟件PATRAN，建立有限元模型，對(duì)上述的兩種危險(xiǎn)工況進(jìn)行下水計(jì)算。

4.1? ? 有限元模型

為了真實(shí)地模擬船在下水過(guò)程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，建立全船長(zhǎng)度范圍內(nèi)的有限元模型進(jìn)行計(jì)算：

（1）模型采用右手坐標(biāo)系：原點(diǎn)設(shè)于船尾縱中剖面基線處;x軸為沿船長(zhǎng)方向指向船首方向?yàn)檎?y軸為沿水平方向向左舷為正;z軸為垂向由原點(diǎn)向上為正;

（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)，將各類構(gòu)件用以下單元類型模擬：

① 板殼元：包括甲板、外板、縱艙壁及橫艙壁、縱桁及橫框架腹板及高度大于250 mm的扶強(qiáng)材的腹板等;板單元大小縱向取肋距，橫向及垂向取縱骨間距，形狀盡量接近正方形，邊長(zhǎng)比不超過(guò)1：3;在開(kāi)孔或結(jié)構(gòu)交接處，采用少量三角形單元過(guò)渡;

② 梁?jiǎn)卧喊ò宀纳系目v橫骨材、縱橫艙壁上扶強(qiáng)材、支柱、其他腹板高度小于250 mm的T形材等;梁?jiǎn)卧脑O(shè)置需考慮其實(shí)際偏心情況;

③ 桿單元：包括強(qiáng)框架上小的加強(qiáng)筋、縱桁及橫框架面板，腹板高度大于250 mm的T形材的面板、肘板面板及其他板邊緣的面板等;

（3）根據(jù)所選材料，屈服極限分別為355 Mpa及235 Mpa，材料參數(shù)為E=2.01×1011pa，μ =0.3，ρ=7850 kg/m3。

有限元模型，如圖1、圖2所示。

4.2? ?邊界條件

計(jì)算時(shí)，第一種及第二種危險(xiǎn)工況取墩木處為簡(jiǎn)支邊界條件。

4.3? ?計(jì)算載荷

按照兩種危險(xiǎn)工況實(shí)際受力情況進(jìn)行加載：第一種工況只考慮船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備的自重，總重量約為1170 t;第二種工況考慮船體的傾斜、船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備的自重、首支點(diǎn)反力，以及平均吃水3.19 m時(shí)受到的水浮力，其中水浮力按照水壓力的方式施加。

4.4? ?計(jì)算結(jié)果

通過(guò)仿真計(jì)算分析，得到兩種典型工況下全船合成應(yīng)力：

（1）船舶入水前

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，應(yīng)力及位移結(jié)果云圖見(jiàn)圖3-圖9。整體有限元模型的Von Mises應(yīng)力分布見(jiàn)圖3、圖4：最大殼單元應(yīng)力為38.9 Mpa，出現(xiàn)在90號(hào)肋位的下潛體上（見(jiàn)圖5）;最大梁?jiǎn)卧獞?yīng)力為88.9 Mpa，出現(xiàn)在102號(hào)肋位附近的下潛體上（見(jiàn)圖6）;最大的垂向位移出現(xiàn)在船體尾部舯線附近，大小為4.56 mm（見(jiàn)圖9）。

（2）船舶入水后半浮狀態(tài)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，整體有限元模型的Von Mises應(yīng)力分布見(jiàn)圖10、圖11：最大殼單元應(yīng)力為194 Mpa，出現(xiàn)在#7號(hào)肋位附近的下潛體上（見(jiàn)圖12）;最大梁?jiǎn)卧獞?yīng)力為292 Mpa，出現(xiàn)在#7號(hào)肋位附近的下潛體上（見(jiàn)圖13）;最大的位移出現(xiàn)在尾甲板附近，大小為25.5 cm（見(jiàn)圖14）。

由上述應(yīng)力和位移云圖可以看出：兩種典型下水工況下最大應(yīng)力均出現(xiàn)在下潛體上，最大變形分別出現(xiàn)在船體尾部及下潛體上;本船各工況下應(yīng)力數(shù)值均小于材料屈服極限，即下水過(guò)程中結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合小水線面雙體船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究該類船舶下水過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及可能出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，獲取危險(xiǎn)工況;采用有限元方法開(kāi)展計(jì)算，研究結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并清晰的展示該型船舶的應(yīng)力分布特性，由此獲得了一些關(guān)于小水線面雙體船下水強(qiáng)度的研究成果， 為船舶安全下水提供支撐。

通過(guò)小水線面雙體船的下水過(guò)程分析可知，其下水過(guò)程可分為入水前及入水后兩個(gè)階段，兩階段均存在較危險(xiǎn)的典型工況。本文對(duì)下水過(guò)程及典型工況的分析，可為后續(xù)小水線面雙體船下水簡(jiǎn)化計(jì)算提供參考。

現(xiàn)行理論計(jì)算方法尚無(wú)法適用于結(jié)構(gòu)形式特殊的小水線面雙體船，本文采用有限元仿真分析方法，直觀的展示了小水線面雙體船典型下水工況下的應(yīng)力和變形分布情況。本文提供的仿真模型模擬原則、約束的選取等，對(duì)同類船舶下水計(jì)算具有指導(dǎo)意義。

仿真計(jì)算結(jié)果顯示各典型工況下最大應(yīng)力均出現(xiàn)在下潛體，可見(jiàn)下潛體是承受下水載荷的主要區(qū)域。由于外形特性， 雙體船船體底部剛度相對(duì)較差，在設(shè)計(jì)過(guò)程中或下水之前可有針對(duì)性的對(duì)相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行一定的加強(qiáng)，以避免出現(xiàn)局部應(yīng)力或變形過(guò)大等問(wèn)題，保障下水安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 李培勇. 縱向滑道船舶下水計(jì)算研究[J]. 武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào)，?1994（18）：354-358.

[2] 姚熊亮， 張兢， 高良田， 王治安等. 縱向重力式下水計(jì)算中船體強(qiáng)度分析[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2003（24）：1-4.

[3] 葛緯楨. “試驗(yàn)1”號(hào)科考船設(shè)計(jì)研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)， 2014， （36）：?32-42.

[4] 蔡小陽(yáng). 小水線面雙體船的運(yùn)用與發(fā)展[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，? 2012， （34）：?61-64.

[5] 王亮， 謝石昌. 海安線客滾船下水計(jì)算及加強(qiáng)措施[J]. 廣船科技， 2016? （1）： 4-8.

[6] 盧鎮(zhèn)光， 束長(zhǎng)庚. 船舶縱向下水試驗(yàn)及支座反力的計(jì)算[J].中國(guó)造船，?1996（1）：53-58.

[7] 周執(zhí)平. 縱向下水船舶受力狀態(tài)分折[J].中外船舶科技，2003（2）：7-10.

[8] 顧永寧. 船舶縱向下水彈性計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)安全性 [J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1996（10）：104-110.