300t级高速船总强度直接计算

摘要：本文利用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran对某300 t级高速船总强度进行直接计算，介绍了计算模型的建立过程、载荷加载方法及边界条件的设置，并对计算结果进行了分析，可为同类高速船总强度直接计算提供一定的参考。

关键词：总强度；直接计算；惯性释放；有限元分析

中图分类号：U663.2文献标识码：A

Direct Calculation of Overall Strength for 300 t Custom Boat

CHEN Nanhua

( Guangzhou Marine Engineering Corporation, Guangzhou 510250 )

Abstract: Direct calculation of overall strength for 300 t high speed boat is carried out by finite element analysis software MSC.Patran/Nastran. The techniques of establishing model, dealing with load, setting boundary conditions are presented, and the results are analyzed. The paper can provide some references for direct calculation of overall strength for the same type of high speed craft.

Key words: overall strength; direct calculation; inertia relief; finite element analysis

1引言

中国船级社《海上高速船入级与建造规范(2012)》（以下简称《规范》）对单体高速船直接计算提出了更严格的要求：对于船长大于50 m的单体船应进行全船结构强度的直接计算验证。本文基于《规范》中高速船船体结构直接计算指南的要求，利用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran对某300 t级高速船总强度进行了直接计算，介绍了计算模型的建立过程、载荷加载方法及边界条件的设置，并对计算结果进行了分析，可为同类高速船总强度直接计算提供一定的参考。

2船舶概况

本船航行于近海航区，主船体为单底、单甲板纵骨架式钢结构，甲板室为纵骨架式铝合金结构。其主要尺度及参数如下：

总长54.93m

计算船长 51.75m

型宽7.60m

型深4.20m

结构吃水 2.15m

排水量 388.7t

最大航速 32.kn

3有限元模型

3.1模型的建立

有限元模型采用全船整体3维模型，主船体及甲板室结构均在模型中予以表达，见图1。总体坐标系取右手直角坐标系，原点取在船纵中剖面内尾垂线（#0）和基线相交处，x轴沿船长向首为正方向，y轴沿船宽向左舷为正方向，z轴沿型深向上为正方向。

图1全船有限元模型

3.2单元类型及模型规模

结构中的板材和主要支撑构件的腹板用板单元模拟；纵骨、主要支撑构件的面板、支柱等用梁单元模拟，并考虑各构件的实际截面和偏心。

模型网格尺寸纵向以肋距，横向、垂向以纵骨间距为基准进行划分。模型中共有26 024个节点，29 362个板单元，22 517个梁单元。

3.3材料参数

本船主船体为钢结构，其中舷侧板、船底板、舷侧纵骨、船底纵骨为L907A，其余为B级钢。钢的弹性模量为2.06×105 MPa，泊松比为0.3，L907A焊接后的屈服强度为390 MPa，B级钢焊接后的屈服强度为235 MPa。

甲板室结构材料为铝合金，其中甲板及外围壁使用带筋板，牌号为6082-T6，其余板材为5083-H321/H116，型材为6082-T6。铝合金弹性模量为0.69×105 MPa，泊松比为0.33，焊接后的屈服强度统一取为115 MPa。

3.4载荷计算及加载

载荷计算根据《规范》有关规定进行。除全垫升气垫船外的各类高速船，由波浪冲击力引起的总纵弯矩MB可按下式计算：

kN·m （1）

代入相关参数计算,得到MB=±20427 kN·m（“+”为中拱，“－”为中垂）。

假设船体总纵弯矩沿船长方向按正弦曲线分布：

kN·m （2）

式中：x为自船尾起算的横截面坐标，分布曲线的幅值为船中横剖面的总纵弯矩MBY。

M(x)可通过施加沿船长分布的垂向力q(x)实现，q(x) (向上为正)可按下式计算：

kN/m（3）

式中：kN/m （4）

由上述计算公式可知中拱、中垂弯矩值相同，因此只需选择一种工况进行计算即可，本文选取中拱工况。由于本船线型变化较快且前后不对称，如采用在计算模型上施加沿船长分布的垂向力，则容易产生不平衡力，从而对计算结果产生影响。本文通过将载荷等效成作用于船底中龙上的一系列集中力的方式进行加载，每个集中力等于分布力乘以该集中力加载区间的长度，加载后模型上所有的垂向力之和接近于零，其绝对值误差不大于0.005 q0L。

3.5边界条件

边界条件的设置直接关系到计算结果的准确性，为此，《规范》使用6个位移分量约束限制全船模型的空间刚体运动，而不影响船体各部分的相对变形，其建议的边界条件为：在纵中剖面上取首、尾各一点A和B，中部舷侧取一点C；约束A点的x、y、z三个位移分量，约束B点的y、z二个位移分量和约束C点的z向分量。

在实际的计算过程中发现，采用上述边界条件得到的全船变形云图与实际情况有出入，为此笔者采用惯性释放[3]的方法来处理边界条件的问题。

惯性释放是MSC. Nastran或ANSYS中的一个高级应用，允许对完全无约束的结构进行静力分析。简单地说，就是用结构的惯性(质量)力来平衡外力。尽管结构没有约束，分析时仍假设其处于一种“静态”的平衡状态。采用惯性释放功能进行静力分析时，只需要对一个节点进行6个自由度的约束(虚支座)。针对该支座，程序首先计算在外力作用下每个节点在每个方向上的加速度，然后将加速度转化为惯性力反向施加到每个节点上，由此构造一个平衡的力系(支座反力等于零)。求解得到的位移描述所有节点相对于该支座的相对运动。本文惯性释放点设置在船中基线处，计算所得的全船变形即为相对于该点的变形。后文中将给出基于这两种边界条件所得到的应力计算结果及变形对比情况。

4计算结果及分析

4.1许用应力

根据《规范》附录2中4.4的规定，总强度计算的构件应力应不大于表1所列许用应力。

表1许用应力（MPa）

4.2应力计算结果及分析

基于本文3.5中两种边界条件的全船板单元等效应力分布云图分别见图2、图3，各构件的应力结果汇总见表2。

（1）从图2、图3中可以看出，采用两种边界条件所得的应力分布情况相同。

（2）从表2中可以看出，采用两种边界条件所得的应力结果基本相同。本船所有构件的计算应力均小于许用应力，因此可认为本船总强度能满足《规范》要求。

表2两种边界条件的应力结果汇总（MPa）

图2《规范》边界条件全船板单元等效应力云图

图3惯性释放边界条件全船板单元等效应力云图

4.3变形计算结果及分析

基于本文3.5中两种边界条件的全船变形云图分别见图4、图5。很显然，采用《规范》边界条件得到的变形云图与实际情况不符，采用惯性释放边界条件得到的变形云图显得更加直观且与实际情况相吻合。

图4《规范》边界条件全船变形云图

图5惯性释放边界条件全船变形云图

5结论

（1）对于高速船来说，其线型复杂且变化较快，为保证船体在外载荷作用下处于平衡，在施加载荷时建议采用等效为系列集中力的方式进行加载。

（2）采用文中所述两种边界条件所得的应力计算结果基本相同，对评价船体总强度来说两者并无差异。但惯性释放的方法处理边界条件具有简便快捷等优点，且计算所得的变形云图与实际情况更吻合，因此建议采用此方法。

（3）本文所述的载荷加载方法及边界条件的设置，同样适用于其它同类高速船总强度直接计算。

参考文献

[1] 中国船级社. 海上高速船入级与建造规范[S]. 北京: 人民交通出版社,

2012.

[2] 刘兵山, 黄聪. Patran从入门到精通[M ]. 北京: 中国水利水电出版社,

2003.

[3] 张少雄, 杨永谦. 惯性释放在油船结构强度直接计算中的应用[J]. 船舶

工程, 2004 (4)

作者简介：陈南华(1982- )，男，工程师。主要从事船舶结构设计工作。

收稿日期：2014-01-09