钢制双体客船结构总强度有限元分析

吴先彪，熊云峰，骆婉珍

(集美大学轮机工程学院，福建厦门 361021）

钢制双体客船结构总强度有限元分析

吴先彪，熊云峰，骆婉珍

(集美大学轮机工程学院，福建厦门 361021）

双体客船在海上航行时，不仅会受到纵向弯曲力矩，同时在连接桥处还会受到巨大的横向弯曲力矩和扭矩。为保证船体有足够的强度来抵抗各种外力作用，对在各种工况下航行的双体船进行强度校核显得尤为必要。采用有限元分析的方法对1艘40m的钢制双体船进行总强度校核，通过对比全船和主船体构件的受力特点，了解该船的应力分布及上层建筑对总强度的影响。根据计算结果可知此船的结构满足规范要求，并在此情况下对结构的优化提出建议。

双体客船;上层建筑;强度;有限元分析

0 引言

高速双体客船是由2个单独的片体通过连接桥连接的特殊船体，在海上航行时，兴波阻力较小，航速较高。同时由于双体客船的宽度较大，使其具有宽敞的空间和甲板面积，提高了载客量，增加了营运的效益，在海峡两岸客运业中具有相当大的竞争优势。但由于双体船的结构特点，在风浪中航行时，每个片体不仅受到和单体船类似的总纵弯矩，同时在连接桥处还受到巨大的横向弯曲力矩以及扭矩。

为了保证双体船船体构件有足够的强度，对其进行强度校核就显得尤为必要。近些年发展起来的以有限元分析为核心的直接计算法，可以很方便的求出双体船在各种工况下所有构件的变形和受力状态［1－3］。

本文以1艘40 m的钢制双体客船为例，依据中国船级社《海上高速船入级与建造规范 (2012）》(以下简称《规范》），对此双体船整船强度进行计算分析，并计算上层建筑对此双体船船体强度的影响，同时对结构的优化提出建议。

1 双体船概述

1.1 主尺度及主要参数

40 m钢制双体船主尺度及主要参数如下:

本船采用船用A级钢制造，航区为遮蔽航区。材料的杨氏模量E=2.1×105MPa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3，材料屈服强度σs=235 N/mm3。

1.2 结构形式

本船采用横骨架式单层底结构，连接桥贯通整个船体，连接桥底板与甲板之间上采用横纵强力隔板对其进行强度加固。

1.3 全船分析模型

根据“规范”要求，进行整船有限元分析的结构范围包括上层建筑和主船体在内的全船有限元模型。所有船体外板、舱壁、甲板和平台、主要支撑构件等都在模型中予以表达。在讨论上层建筑对主船体强度的影响时，主船体结构采用主甲板以下全船结构。

在有限元模型中，外板、甲板、舱壁，纵横隔板等板结构以及龙骨、实肋板、强肋骨、甲板纵桁等主要构件的腹板采用三节点或者四节点的板单元进行模拟，主肋骨，横梁、扶强材等小尺寸的型材以及龙骨，强肋骨等强构件的面板采用二节点梁单元模拟。板单元主体网格是大小为300 mm×300 mm的正方形网格，全船共有52 641个节点，42 646个壳单元和35 943个梁单元。全船有限元模型如图1所示。

图1 全船有限元模型Fig.1 The finite elementmodel of the catamaran

2 总载荷的计算及施加

本双体船的计算载荷根据“规范”中附录2的内容利用公式进行计算。由于双体船的结构特点，其所受的总纵弯矩并不是校核的主要方面，且规范中明确规定了在船中0.5L的范围内没有较大开口，且L/D小于12，船体的结构满足局部强度的要求的双体船，总纵强度可以免于校核［4］。

根据“规范”4.4.1.2规定，垂向加速度应满足下列要求:

式中:g为重力加速度，实取9.81 m/s2;VH为船在有义波高H1/3的波浪中航行的航速，实取35 kn;H1/3为有义波高，遮蔽航区，实取2 m;β为船体重心处横剖面的船底升角，实取30°;KT为船舶类型系数，常规双体船，实取1;BWL为设计水线处两片体的最大型宽，根据型线图，实取5.35 m;Δ为满载排水量，实取210 t;

经计算，可得acg=8.33 m/s2。

双体船的主要载荷计算结果如表1所示。

表1 双体船主要载荷计算结果Tab.1 The calculation results of themain load

表1中:C1=0.125和C3=0.063均为航区系数;L为船长，L=36m;b为片体中心距，b=6.46m;d为满载吃水，d=1.643 m;z为水线至连接桥剖面中和轴的距离，z=2.25 m。

以上所计算的载荷，需要以等效载荷的方式加在有限元计算模型上，根据“附录2”2.2规定，等效载荷的处理方法如下:

横向对开力Fy:实际计算时，将Fy作为分布于连接桥整个长度范围内的分布载荷q，然后分布载荷q需换算为等效集中力p3，加于船体d/2的强构件处等效载荷q=Fy/L=541.6/36=15.04 kN/m。

3 工况及边界条件

3.1 计算工况

根据规范要求，需要计算的载荷组合工况如下:

3.2 边界条件

使用6个位移分量来约束限制全船的空间刚体运动，同时要保证不影响船体各部分的相对变形，根据“规范”其节点约束条件以及约束模型分别如表2和图2所示。

表2 节点约束条件Tab.2 Restrict condition of fulcrums

图2 双体船总强度分析总体约束模型Fig.2 The general constraint of strength analysis

4 计算结果及分析

4.1 总强度衡准

根据“规范”的要求，总强度计算的构件应力应不大于表3所列许用应力。

根据“规范”计算，该双体客船的结构满足要求，其中全船有限元分析计算中的板单元等效应力结果见表4，部分工况的应力云图如图3和图4所示。

4.2 上层建筑对主船体总强度的影响

双体客船上层建筑的特点是舱室面积大，整个上层建筑的覆盖面积广，所以对主船体受力有一定的影响。国内部分学者采用理论和实验的方法，也对这方面有一定的研究和分析［5－7］。

本文在研究上层建筑对主船体结构强度的影响时，采用的是2种对比模型分别是包括上层建筑的全船模型和主甲板及以下的主船体模型，其中包括上层建筑的全船模型的强度计算结果已经由上文计算得出。在对主船体模型进行计算时，采用和全船结构强度分析相同的载荷施加方法，边界条件和计算工况，对其进行有限元分析。通过计算可得主船体结构强度满足强度要求。其中计算出的板单元的等效应力结果如表4所示，部分应力云图如图5和图6所示。

图3 工况1全船结构总强度等效应力分布云Fig.3 The whole ship structure equivalent stress distribution of condition 1

图4 工况3全船结构总强度最大剪切应力分布云图Fig.4 The whole ship structuremaximum shear stress distribution of conditon 3

图5 工况5主船体结构总强度等效应力变形分布云图Fig.5 Themain hull structure equivalent stress distribution of condition 5

图6 工况6主船体结构总强度应力分布云图Fig.6 Themain hull structure equivalent stress distribution of condition

表4 全船和主船体主要板单元等效应力结果 单位:MPaTab.4 The equivalent stress results of the whole ship and themain hull structure plate elements unit:MPa

图7 6种工况下片体上板构件等效应力比较Fig.7 The plate elements equivalent stress comparison between 6 conditions of demihulls

图8 6种工况下连接桥上板构件等效应力比较Fig.8 The plate elements equivalent stress comparison between 6 conditions of cross structure

本次根据“规范”校核的双体船的强度包括板单元等效应力，板单元最大剪切应力和梁单元的轴向应力 (此处只给出板单元的等效应力计算结果），图7和图8将整船和主船体计算出的板单元等效应力进行比较，更能直观看出各种工况下每种构件所受最大应力以及上层建筑对船体结构强度的影响。

5 结语

通过对此双体船进行有限元分析计算，再结合此船所特有的结构特点，可以得出以下结论。

1）该船在数值计算过程中模型的建立、载荷的计算和施加、边界条件以及工况都是根据“规范”来进行的，其结果具有一定的合理性，可以为后期的设计提供依据。通过有限元分析计算，该钢制双体船的结构满足“规范”对双体船总强度的要求。

2）通过表4可以看出，该双体船在以上6种工况的作用下，连接桥处强构件的受力一般都比较大，同时观察应力云图可发现，在舱壁、强肋骨与连接桥底板相连的部位常常产生应力集中的现象，且此处的船体变形量比其他部位要大，在这些地方可以采用增加连接桥底板板厚或者增设比较小的肘板可以减轻应力集中及变形量较大的现象。

3）该船上层建筑所受应力主要集中在舱壁、门窗板附近，虽然应力不是很大，但是设计者在后期设计中还是要加以重视，以免造成不必要的损失。

4）通过比较全船和主船体的强度计算结果可以发现，上层建筑参与总横强度以及主船体扭矩所产生的强度，特别是在连接桥横向构件，舱壁以及尾封板处参与的程度较大，这种影响将大大减小连接桥以及舱壁与连接桥底板接触处的受力，保证强度。

5）分析各板、梁单元的应力大小可知，此双体船的构件受力大小较为悬殊，且与规范规定的许用应力大小差距较大，这样会导致船用钢材的浪费，增加了船体的重量。设计者可以在规范规定的范围内减小构件的尺寸，不仅可以减轻船体的重量，同时也可以改善船体的性能。

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Finite element analysis for the strength of a steel passenger catamaran

WU Xian-biao，XIONG Yun-feng，LUOWan-zhen
(Marine Engineering Institute，Jimei University，Xiamen 361021，China）

When sailing on the sea，the passenger catamaran are subjected to notonly the longitudinal bendingmoment，butalso the huge transverse bendingmomentand torquemoment on the cross-structures.In order to guarantee that the hull has enough strength to resist a variety of external forces，checking the strength of catamaran under various conditions is necessary.Themethod of finite element analysis is used to check the strength of a 40m steel passenger catamaran and understand the stress distribution of the ship and the influence of superstructure to the overall strength by comparing themechanical characteristics of whole ship and main hull components.According to the results，the strength of the structuremeet the requirements，and then putting forward some suggestions for the optimization of structure is necessary in this case.

passenger catamaran;superstructure;strength;finite element analysis

U611.43

A

1672－7649(2014）05－0031－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.007

2013－09－04;

2014－03－05

李尚大集美大学学科建设基金资助项目(ZC201002）

吴先彪(1988－），男，硕士研究生，主要从事船舶结构性能研究。