37m黄河双体渡船总强度有限元分析

高书清，陶延武

(1.泰州海清船舶技术有限公司, 江苏 泰州 225300；2.江苏科技大学，江苏 镇江 212003)

37m黄河双体渡船总强度有限元分析

高书清1，陶延武2

(1.泰州海清船舶技术有限公司, 江苏 泰州 225300；2.江苏科技大学，江苏 镇江 212003)

双体船在风浪中航行时会遭受比较大的总横弯矩和扭转力矩的作用，为保证双体船的安全性，有必要对其相关的强度进行分析。依据中国船级社《钢质内河船舶建造规范》(2009)，采用有限元分析的直接计算法，对某双体船的主船体及连接桥结构进行强度评估。计算结果表明，该船的结构满足规范要求，并通过相关分析对结构的优化提出建议。

双体船；渡船；总横强度；扭转强度；有限元

0 引言

双体船是由2个相距一定距离的平行片体通过连接桥连接而成的特殊船体，具有甲板面积大，稳性好等优点[1]。因为双体船的型宽相对单体船大，具有宽敞的舱室空间和较大的甲板面积，所以在客运业中具有突出的竞争优势，经济效益较高。另外，如果船型和双体间距选择合适，可使得双体船相对于同用途单体船的兴波阻力较小、航速较高[2]。本文研究的双体船是黄河下游流域的双体车客渡船，主要在浮桥拆除后用于车辆和行人在黄河两岸的摆渡。

双体船在风浪中航行时，2个片体除了受到和单体船类似的总纵弯矩作用外，还受到巨大的横向弯曲力矩以及作用在连接桥处的扭矩[3]，这是由双体船的结构特点决定的。本文将采用有限元分析方法对双体船的总横强度及扭转强度进行分析计算。

本文计算采用结构有限元分析软件MSC/PATRAN、NASTRAN，对37 m黄河双体渡船的总横强度及扭转强度进行校核评估。本船根据《钢质内河船舶建造规范》(2009)(以下简称“规范”及《钢质内河船舶建造规范》(2012修改通报)的要求进行设计建造。虽然该规范关于连接桥设计的内容很少，但规范要求需对双体船在波浪中高速航行时的总横强度和扭转强度进行校核[4]。

1 双体船主要量度

37 m黄河双体渡船的主要参数如下：

总长

36.31 m

水线长

34.86 m

型宽

20.00 m

片体宽

6.40 m

连接桥宽

7.20 m

型深

2.20 m

设计吃水

1.20 m

空载吃水

0.90 m

肋距

0.50 m

满载排水量

405.55 t

航速

16.50 km/h

航区

B(J2)级航区

本船选用的材料为碳素钢，其泊松比为0.3，材料屈服强度为235 MPa，模量为2.06×105MPa，密度为7 850 kg/m3。

2 结构形式和结构模型

2.1结构形式

本船采用横骨架式单甲板结构，甲板以下共设6道水密舱壁。为加强双体船的横向和纵向强度，在连接桥底板与甲板之间采用纵向和横向强力隔板对其进行加强，并且连接桥纵向贯通整个船体。

2.2结构模型

37 m黄河双体渡船结构模型纵向范围为整个船长，横向范围为整个船宽，垂向为从基平面至主甲板。结构模型取主甲板以下全船结构，左右对称。模型舷侧外板、连接桥甲板、连接桥底板、横舱壁/隔板、强横梁腹板、纵桁腹板以及其他强构件腹板等全部采用三节点或者四节点的板单元进行离散，用两节点梁单元对其他加强筋和纵骨等普通构件以及强构件面板等进行离散。37 m黄河双体渡船结构模型单元总数为50 446，节点总数为33 625。模型如图1所示。

图1 整体有限元模型(仰视图)

3 边界条件及载荷工况

3.1边界条件

边界条件设置依据“规范”第14.6.4节中要求的双体船边界条件对37 m黄河双体渡船甲板以下的结构进行总横强度校核和扭转强度校核，边界条件如下：

(1)对双体船总横强度进行校核时，可采用在其中一个片体的舭部节点上施加线位移约束：ux=uy=uz=0 ，在船底的构件交叉节点上进行线位移约束：ux=uz=0，ux、uy、uz分别为绕x、y、z3个方向的平动自由度。在另一个片体上施加垂向剪力，连接桥垂向剪力由“规范”第14.6.2.2节计算得出，该剪力均匀分布在连接桥强构件与片体的纵剖面的交叉节点上。总横强度校核的边界条件如图2所示。

图2 总横强度的边界条件和载荷模型

(2)对双体船扭转强度进行校核时，可在连接桥中心节点上施加全位移约束：ux=uy=uz=0，θx=θy=θz=0(以排除刚体位移)，θx、θy、θz分别为绕x、y、z3个方向的旋转自由度。由“规范”扭矩计算公式得到扭转载荷，该载荷施加于双体船的两片体上。扭矩可施加在片体中纵剖面与船底强构件的交叉节点上，沿船长施加大小相等的反对称集中力，根据与扭矩值等效原则定垂向集中力的大小。将在过两片体形心的纵向平面内的各节点与在两片体形心处建立独立点进行刚性关联，然后将相应的扭矩或横向弯矩作用施加这些刚性关联点上。计算强度时的边界条件设置如图3所示。

3.2工况

根据规范要求，本船计算工况共分为2个：总横弯曲强度计算工况(LCl)和扭转强度计算工况(LC2)。

3.3载荷计算

3.3.1总横弯矩

根据“规范”第14.6.2.1节，37 m黄河双体渡船的总横弯矩大小可通过下式计算得到：

Mb=9.81Bc/s

式中：Mb为总横弯矩，kN·m；为双体船的排水量，=405.55 t；Bc为任一片体中心至连接桥校检处的距离，Bc=6.8 m；s为航区系数，s=9.0。

把上述数据代入后，Mb=3 005.94 kN·m。

3.3.2垂向剪力

根据“规范”第14.6.2.2节，双体船中纵剖面处连接桥的垂向剪力可根据下式得到：

Q=9.8/s

式中：Q为垂向剪力，kN。

数据代入后，Q=442.05 kN。

3.3.3横向扭矩

根据“规范”第14.6.2.3节，双体船扭矩Mt可由下式得到：

式中：Mt为横向扭矩，kN·m；b、b1分别为双体船片体宽度和连接桥的宽度，b=6.4 m，b1=7.2 m；d为满载吃水，d=1.2 m；r为计算半波高，r=0.75 m，L为船长，L=34 m；Ca为水线面修正系数，按表1确定，通过插值法求得Ca=0.785。

代入数据，Mt=6 135.18 kN·m。

4 分析结果汇总

有限元计算的应力结果汇总见表2。表中：σe为板单元的中面相当应力；σx为强力甲板、船底板及舷侧外板单元沿船长方向的中面应力；σz为梁构件单元节点合成应力；τ为舷侧外板或纵舱壁板的剪应力。

表1 水线面修正系数

表2应力结果汇总表MPa

构件名称载荷工况σe/σzσxτ计算值许用值计算值许用值计算值许用值片体外板LC141．019222．716522．891LC215．91925．221658．7291片体及连接桥甲板LC139．419213．016514．591LC212．71924．051654．1091连接桥底板LC156．619223．416528．491LC213．71923．511654．6491甲板纵桁LC144．518121．991LC25．591813．0891船底纵桁LC118．71818．7591LC27．171814．0691横向舱壁、隔板和强框架LC112817668．0105LC226．617614．3105

37 m黄河双体渡船的结构模型在2种工况下的合成应力云图、船体变形云图如图4～图7所示。

5 结语

(1)由表3可得，本文的37 m黄河双体渡船总横强度和抗扭强度满足规范要求。

(2)从总横强度工况和扭转强度工况校核的对比结果可以看出，对该双体船船体强度影响较大的是总横强度，仅施加扭转弯矩的情况对双体船结构强度的影响较小，表明该双体船具有足够的扭转强度储备。

(3)综合全船有限元应力、应变的结果可以看出，在横向受力作用时，连接桥和横向构件受力较大，片体与连接桥连接部位的应力较其他部位大。为避免应力集中，应该设置更多的加强肘板或者加大此处横向构件的板厚。

(4)扭转工况下，在靠近船中部分的扭转应力和应变很小，而连接桥靠近首部和尾部的应力、应变都较大，因此结构设计中应注意连接桥首尾处的结构加强。

图4 船体结构合成应力云图(LC1)

图5 船体结构合成应力云图(LC2)

图6 船体变形云图 (LC1)

图7 船体变形云图 (LC2)

[1]陈超核,杨永谦.有限元分析双体船扭转强度[J].海南大学学报：自然科学版,2000,18(2):126-130.

[2]吴先彪,熊云峰,骆婉珍，等.钢制双体客船结构总强度有限元分析[J].舰船科学技术,2014,36(5):31-35.

[3]冯坚,谷家扬.11.9 m双体交通艇总强度有限元分析[J].江苏船舶,2010,27(3):5-7,10.

[4]郑杰,谢伟,骆伟，等.穿浪双体船横向强度与扭转强度的有限元计算[J].中国舰船研究,2010,5(1):14-18.

[5]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.

2014-08-27

高书清(1975-)，男，助理工程师，主要从事船舶设计工作;陶延武(1990-),男,硕士研究生,研究方向为船舶与海洋工程结构力学。

U661.43

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