浮桥艇结构强度直接计算分析

王驰明，章新智，李寒林，郭 昂

（1.厦门船舶重工 总工办，福建厦门 361026；2.集美大学 轮机学院，福建厦门 361021；3.中国船舶科学研究中心，江苏无锡 430064）

浮桥艇结构强度直接计算分析

王驰明1，章新智1，李寒林2，郭 昂3

（1.厦门船舶重工 总工办，福建厦门 361026；2.集美大学 轮机学院，福建厦门 361021；3.中国船舶科学研究中心，江苏无锡 430064）

采用直接计算方法，利用有限元分析软件MSC.patran/Nastran建立浮桥艇有限元模型，对船体、横梁、螺栓等主要结构进行评估，并依据CCS有关规范和指南进行衡准，结果表明满足规范结构强度要求。

浮桥艇；直接计算；屈服强度

0 引言

浮桥艇（图1）是一种支撑在浮动结构上的艇。支撑浮桥艇体的浮动结构有浮筒、浮箱、圆柱形金属管或气胀式U形橡胶。该艇可用于我国江河、湖泊等平静水域的旅游、观光等。中国船级社《2012游艇建造与入级规范》[1]、《2012内河高速艇入级与建造规范》[2]等规范均未对铝制艇、螺栓构建给予规范建造和计算说明，使得浮桥艇在国内很难取得设计、制造认可。为探讨和分析浮桥艇船体结构强度及螺栓连接强度，本文采用加载波浪载荷方法和双体船规范直接计算方法，对其船体、结构和螺栓进行详细分析。

图1 浮桥艇实船照片

1 计算模型

1.1 结构型式

浮桥艇，船体采用高强度的铝材焊接而成，采用两个U浮筒作为艇体的双体结构，每个浮筒设置两道水密舱壁板，浮筒底部设置一道外龙骨，浮筒顶部两侧设置两道支柱纵梁，作为甲板横梁的连接构件，艇共设置13道甲板横梁（包括船艏弯横梁），每道横梁采用不锈钢螺钉与支柱纵梁连接。浮筒两侧分别设置一道裙边，作为装饰及挡水用。

1.2 艇体材料

1.3 主要参数

总长为7.98m；水线长7.38m；型宽2.56m；型深0.77m；吃水0.36m；排水量2.48t；主机功率110.25kW。

1.4 计算模型

1.4.1 模型范围

取本船主要承力结构构件建立三维有限元模型，包括整个片体结构、支柱纵桁、甲板横梁、螺栓等，如图2所示。由于甲板为胶合板，考虑其并不能有效承力，模型中未进行考虑，这样为偏危险处理；片体围裙主要起装饰和防水作用，模型也未考虑；模型中尽量按照设计图纸的要求考虑各种构件上的各种构造细节，如螺栓连接、间断焊等。

图2 浮桥艇结构计算模型

1.4.2 单元和规模

模型中主要采用单元为：

1）板壳单元：模拟片体板，横舱壁，连接桥，横梁，螺栓，等。

2）梁单元：模拟片体底部龙骨，肋骨，等。1.4.3 模型规模

计算模型中共有45788个节点，53126个单元，其中bar单元1966，tri单元15738，Quad单元35422。

2 计算工况

本次计算采用加载波浪载荷和双体船直接计算方法[3]，分别如下：

2.1 计算工况1

在结构强度计算分析时，设定排水量不变。按内河B级航区（波高1.2m）计算波浪载荷。考虑到本船主要依靠甲板横梁连接两片体的特点，在选取波浪参数时需着重考察甲板横梁强度和螺栓连接强度。由于本船的排水量和重量分布在船长方向，分布相对平均，故选取中拱或中垂波浪的差别不大。

在强度计算中，波浪参数分别考虑了静水、迎浪中拱、一个片体在波峰及另一个片体在波谷的横浪、斜浪中垂4种可能遇到的（不利）波浪条件。计算工况载荷组合说明如表1所示。

表1 计算工况载荷组合

2.2 计算工况2

计算载荷参考《钢质内河船舶建造规范（2009）》14.6.2双体船结构强度计算规定要求。计算工况载荷说明如表2、表3所示，计算工况载荷组合说明如表4所示。

其中：∇为双体船的排水量，t；S为航区系数。

表2 双体船连接桥垂向力

式中：Ca为水线面修正系数；b1和b分别为双体船片体宽度和连接桥宽度，m；d为满载吃水，m；r为计算半波高，m；L为双体船的船长，m；∇为双体船排水量，t。

表3 双体船扭矩计算

表4 计算工况载荷组合

3 计算强度和校核

参考《钢质内河船舶建造规范（2009）》14.6.5.1的规定[4]，钢质内河双体船总强度分析中的计算应力应小于《钢质内河船舶建造规范》的表14.3.6.6所列的许用应力。考虑本船材料为合金铝，对应合金铝的许用应力应在钢质内河船舶建造规范的基础上根据普通钢的屈服极限（235MPa）与合金铝屈服极限进行一个换算，得到相应铝的许用应力[5]。《钢质内河船舶建造规范》钢制内河双体船中没有螺栓的许用应力，参考厂家给出的螺栓拉力556，对316不锈钢螺栓屈服极限和剪切力进行换算，得到螺栓的许用应力（表5），其中板许用应力折算系数为0.7，螺栓剪力与抗拉强度关系且其安全系数取1.5。

表5 板单元σe应力结果(MPa)及强度校核

3.1 工况1下屈服强度

各种状况下，计算得到的各种构件板单元形心处应力的结果汇总如表5所示。各种计算工况下模型范围内全部结构板单元的相当应力云图如图3所示。模型中使用梁单元来模拟的构件为片体龙骨[6]，四个工况下最大梁单元轴心应力为94.7MPa，螺栓最大屈服应力为365MPa，最大剪切应力为333MPa满足要求。

3.2 工况2下屈服强度（表6）

工况2下板单元σe应力结果及强度校核结果如表6所示。

图3 全船模型板单元形心Von Mises应力(MPa)

表6 板单元σe应力结果(MPa)及强度校核

剪切和扭转工况下模型范围内全部结构板单元的相当应力云图σe如图4所示。模型中使用梁单元来模拟的构件为片体龙骨，扭转工况下最大梁单元轴心应力为86.4MPa，螺栓最大屈服应力为318MPa，最大剪切应力为183MPa满足要求。

图4 全船模型 板单元形心Von Mises 应力(MPa)

3.3 螺栓分析

3.3.1 模型范围

取本船螺栓结构构件建立三维有限元模型，如图5～图8所示。

图5 螺栓和板连接三维图

图6 螺栓网格模型

图7 甲板边构件网格模型

图8 横梁构件网格模型

3.3.2 单元和网格

模型中主要采用实体（solid）单元模拟甲板边、横梁边、螺栓等。

模型规模：模型1共有13117个节点，11664个单元（其中hex单元11508，wedge单元156）；模型2共有4149个节点，2716个单元（其中hex单元2386，wedge单元330）；模型3共有5820个节点，3826个单元（其中hex单元3496，wedge单元330）。

3.3.3 载荷（表7）

表7 计算工况载荷组合

计算模型中考虑螺栓受力状态力学模型如下：

1）选取A点为支撑，C点施加力，求取B点力。如图9所示。

2）选取B点为支撑，C点施加力，求取C点受力。如图10所示。

图9 外螺栓受力图

图10 内螺栓受力图

其N=max{N1，N2}，其中F为梁所受垂向力，根据∑Fi=F，求解垂向力。

计算工程中考虑船体横梁主要承力构件（图11），蓝色横梁共14根。

图11 主要承力构件

因此考虑上述情况：N1=540N，N2=765.8N。各种工况下，计算得到的各种构件板单元形心处应力的结果汇总如表8所示。

表8 板单元σe应力结果(MPa)及强度校核

各种工况下模型范围内全部结构板单元的相当应力云图σe如图12～图14所示。

图12 应力强度图

图13 应力强度图

图14 应力强度图

4 结论

针对浮桥艇船体结构强度及螺栓连接强度，本文利用有限元分析软件MSC.patran/Nastran建立浮桥艇有限元模型，采用加载波浪载荷方法和双体船规范直接计算方法，依据CCS有关规范和指南进行衡准，结果表明：

1）采用加载波浪力方法，依据结构设计图纸建立了全船有限元模型，参考CCS《钢质内河船舶建造规范》（2009）和厂家提供螺栓拉力强度，考虑本船正常工作时的重量，按B级航区确定总强度计算中的舷外水压力，对本船正常航行在静水、迎浪中拱、一个片体在波峰及另一个片体在波谷的横浪、斜浪中垂4种可能遇到的（不利）波浪条件的结构应力水平进行直接计算和强度评估。应力计算结果表明：船体所有构件上板单元形心Von Mises应力在规范规定的许用应力范围内，裕度较大，满足强度要求；船体梁单元（片体龙骨）形心轴向应力也满足强度要求；船体螺栓单元形心Von Mises应力在厂家提供报告许用应力范围内，满足使用要求；船体在斜浪工况下螺栓单元形心剪切应力接近许用应力值，为偏危状态。

2）采用双体直接计算方法应力计算结果表明：本船所有构件上板单元形心Von Mises应力在规范规定的许用应力范围内，裕度较大，满足强度要求；本船梁单元（片体龙骨）形心轴向应力也满足强度要求；本船螺栓单元形心Von Mises应力在厂家提供报告许用应力范围内，满足使用要求。

3）螺栓直接分析应力计算结果表明：本船螺栓单元形心Von Mises应力在厂家提供报告许用应力范围内，满足使用要求。

[1] 中国船级社. 游艇入级与建造规范[M]. 北京: 人民交通出版社, 2012.

[2] 中国船级社. 内河高速艇入级与建造规范[M]. 北京:人民交通出版社, 2012.

[3] 王杰德, 杨永谦. 船体强度与结构设计[M]. 北京: 国防工业出版社, 1995.

[4] 中国船级社. 钢质内河船舶建造规范[M]. 北京: 人民交通出版社, 2009.

[5] 张少雄, 杨永谦. 船体结构强度直接计算中惯性释放的应用[J]. 中国舰船研究, 2006(2): 40-43.

[6] 王勖成, 邵敏. 有限单元法基本原理和数值方法[M].北京: 清华大学出版社, 2002.

Direct Calculation of Structural Strength of the Pontoon Boat

Wang Chi-ming1, Zhang Xin-zhi1, Li Han-lin2, Guo Ang3

(1. Chief Engineer's Office, Xiamen Shipbuilding Industry Co., Ltd., Fujian Xiamen 361026, China; 2.Marine Engineering Institute, Jimei University, Fujian Xiamen 361021, China; 3.China Ship Scientific Research Center, Jiangsu Wuxi 430064, China)

Aiming at the structural strength of the hull, beam and bolt, direct strength calculation is carried out according to the Guidelines for Direct Strength Analysis of CCS rules, the FEA software MSC. Patran and MSC. Nastran are applied to calculate directly the structural strength of pontoon boat. The result of strength assessment shows it meets the requirements of the rules.

pontoon boat; direct calculation; yield strength

U674.91

A

1005-7560 (2014) 05-0051-05

王驰明（1985-），男，助理工程师，主要从事新型船舶研发设计与制造。