小型玻璃钢开敞艇结构强度分析

2013-06-12黄燕玲郭强波彭开洲

船海工程 2013年1期

黄燕玲，郭强波，廖文，彭开洲

(1.武汉市船舶检验所，武汉430000;2.广州文冲船厂有限责任公司设计部，广州510725)

20世纪60年代中期，玻璃纤维增强塑料开始在游艇上应用，由于在技术上、经济上取得了重大的突破，因而被广泛用于制作游艇艇体［1-2］。目前国外的玻璃钢船长度已经达到70 m以上，而我国现阶段只能制造长40 m以下的玻璃钢船。不但在尺度上落后于国外，即使同尺度玻璃钢船，其结构形式也跟国外先进技术存在差距［3］。受限制的不是玻璃钢材料本身的性能，而是缺乏这方面的结构设计和结构计算方法。

1 玻璃钢船的结构特性

玻璃纤维增强复合材料具有比强度高、不锈蚀、建造工艺性好、使用周期成本低等优点，在船舶工业中取得越来越广泛的应用。与同尺度、等截面的钢质船相比，玻璃钢船的刚度只是钢质船的1/15～1/20。

玻璃钢材料因其弹性模量低而容易产生扭曲和弯曲变形，因此，玻璃钢船的骨材就需要采用特定的截面形式来抵抗弯扭变形。通常情况下，玻璃钢船的骨架梁材会采用梯形帽形截面，截面表面铺设玻璃纤维，中间空心部分填充芯材。

舷侧、甲板和舱壁等与底部不同之处在于其独特的夹层结构，即在铺层结构的中间铺设一层泡沫芯材。尽管芯材的力学性能比较低，但结构的剪切强度主要由芯材承受，面板仅起部分作用。

2 玻璃钢游艇的有限元模型

根据实船结构形式、受力、精度要求等［4］，运用结构力学和有限元知识对实际结构进行简化，选用合适的模拟单元得出有限元模型。

2.1 属性定义与网格划分

几何模型仅是描述空间形状及结构定位，只有对各种板材、骨材结构的材料属性进行赋值并划分网格后才能进行有限元分析。铁和钢等各向同性材料相比，复合材料有限元网格划分显得非常复杂。玻璃钢游艇中的铺层塑料增强纤维材料属于正交异性材料，每层材料属性进行设置时需要输入2个主方向的弹性模量、剪切模量和泊松比［5］，具体参数见表1。

表1 玻璃钢材料模型常数

玻璃钢游艇的骨架梁材划分网格时，并没有像普通钢质船那样使用梁单元，其原因是玻璃钢船的骨材也是用玻璃纤维进行多层铺设而成，并带有芯材。而普通的梁单元并不能准确地表达层合结构形式，因此选用板单元来替代梁单元［6］。板的铺层方向为［0/45/-45/0/90/0］，每层板厚度是通过层合板厚度均分来处理的。

本文艇体总长为5.2 m，型宽为1.80 m，型深0.78 m，吃水0.35 m。艇体结构尺寸见表2。

划分的单元网格长度为100 mm，共2 429个shell单元。由于复合材料是各向异性的，所以当结构的方向有变化时，使用局部坐标，使材料的性能与结构的方向保持一致。

表2 艇体构件尺寸 mm

2.2 层合结构和夹层结构的模拟

层合结构见图1，各单层板采用玻璃纤维作为增强材料，Y向为纤维轴向方向，Z向为垂直于纤维轴线的方向(即叠层方向)。

图1 层合结构

根据玻璃纤维的性能特点，各单向板是正交各向异性板，patran中定义单向板的材料属性为Orthotropic。通过单元实常数来定义材料属性、层的定向角和层的厚度。

夹层结构(“三明治结构”)见图2，有两个薄的面板和一个较厚但相对较软的夹心层，它允许夹层结构中面板和夹心层有不同的材料属性。在玻璃钢游艇中，夹心层一般为泡沫，根据泡沫的特性，可将其视为各向同性体。夹层结构材料性质的定义与普通层合结构相同。

图2 夹层结构

3 约束与载荷

3.1 全船有限元边界

船体是一个漂浮体，处于平衡力系之下，但没有对刚体运动的约束。而有限元分析要求结构的刚体被支座所限制，以便计算结构的相对变形。为此必须给浮动船体加上适当的约束，令船体不能做刚体运动，同时也不能限制船舶变形，不能影响全船结构的受力。

由于整船结构相当于一个空间梁系，空间梁有6个自由度，即3个位移和3个转角，分别为μx、μy、μz、Rotx、Roty和Rotz。本文根据文献［6］在前后舱壁处施加约束。

1)当整船在前后舱壁为自由支持时。

在前舱壁处:μx=μy=μz=0，

Rotx=Rotz=0。

在后舱壁处:μy=μz=0，

Rotx=Rotz=0。

2)当整船在前后舱壁处为刚性固定时。

在前舱壁处:μx=μy=μz=0，

Rotx=Roty=Rotz=0。

在后舱壁处:μy=μz=0，

Rotx=Roty=Rotz=0。

3.2 艇体载荷

满载状态最大航速航行时作用在艇体上的载荷主要有:①船底波浪冲击压力，舷侧水压和甲板载荷;②艇体重力和浮力。

根据《内河高速船规范》，船底波浪冲击压力psl1可按式(1)计算得到。

式中:kl——纵向压力分布系数，取kl=1;

A——受力点计算面积，m2;

△——排水量，△=1.299 t;

αcg=1.0 g;

βx——计算处横剖面的底斜升角，取βx=30°;

βcg——船体重心处横剖面的底斜升角，取βcg=30°。

dw——波浪中航行时的冲击吃水，dw=Cd，

d——满载静浮态吃水，取d=0.35m;

C——系数，对于排水型单体船取C=1.0;

舷侧压力ps按式(2)计算。

式中:h——压力计算点到甲板的垂直距离，m;psl1——该处底部的波浪冲击压力，kPa。甲板载荷为满载时乘客及物品载荷。

4 计算结果分析

通过对520敞口玻璃钢游艇整体结构的有限元计算分析，对比两种约束情况艇体受力和变形，见表3。

计算结果表明，两种约束情况下，艇体的最大变形都发生舷侧艇体中部大开口边缘上，该处正是结构强度最弱的地方。自由支持约束的最大变形为24.4 mm，刚性约束的最大变形为19.6 mm，最大变形小于艇体长度的1/200，满足规范要求。最大应力发生在船中底部折角线处，说明该处有应力集中现象，两种约束下得应力分别为22.7 MPa和20.1 MPa，远小于许用应力，满足强度要求。艇体的应力和变形见图3和图4。