基于直接计算法的双体船强度有限元分析

王爱民，王　旭，任慧龙，卢小龙

(1.中国人民解放军92941部队，辽宁 葫芦岛 125000； 2.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨 150001)



基于直接计算法的双体船强度有限元分析

王爱民1，王旭2，任慧龙2，卢小龙2

(1.中国人民解放军92941部队，辽宁 葫芦岛 125000； 2.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨 150001)

使用WALCS程序得到波浪外载荷，进行纵向弯矩、纵摇转矩、横向弯矩为控制参数的载荷计算，采用船舶结构强度有限元直接计算方法进行整船屈服和屈曲强度分析，根据整船粗网格强度评估结果选取若干个高应力水平区域的典型节点进行精细网格有限元分析，为双体船强度校核及结构设计提供依据。

双体船;有限元分析;直接计算;强度校核

双体船因其宽阔、稳定，以及灵活等优点，成为近几年来的热点船型。近年来，世界各大船级社相继发展了适用于高性能船舶的结构设计规范，但采用规范对双体船进行校核时存在一定的局限性。因此，对于实际工程中的目标船还需应用波浪载荷和结构强度直接计算理论计算目标船所受的波浪载荷，并对其进行屈服屈曲强度的校核。本文采用以有限元分析为核心的直接计算法，直接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]。

1　船体有限元模型建立

本文结合CCS《海上高速船入级与建造规范》《油船结构强度直接计算指南》的有关规定和结构特性，确立整船模型的建模原则，通过通用有限元软件MSC.Patran建立全船有限元模型,见图1。

图1　全船有限元模型

模型网格的尺度按照一个肋位间距和纵向、垂向骨材间距划分，对于主要构件上的开孔、结构细节、结构不连续处等区域，采用精细有限元模型进行描述和模拟，并进行局部强度分析，以考虑局部区域的应力水平和分布情况。全船有限元模型单元尺寸为500 mm×500 mm，布置依据横、纵构件的位置。对于局部细网格模型，网格尺度不大于50 mm×50 mm。腹板高度小于200 mm的型材用梁单元模拟，并考虑偏心；对于腹板高度大于200 mm的型材，用板单元加梁单元的形式模拟，全船模型单元共计27 240个。目标船的功能比较单一，与具有较丰满上层建筑的常规双体船不同，其主甲板上没有任何上层建筑。

2　船体外载荷计算

2.1波浪参数及剖面选取

采用三维波浪载荷计算软件WALCS将本船表面进行水动力网格划分，选取多体质量模型来模拟其质量分布。计算航速取为0 kn，波浪入射角取为0°～180°,间隔为30°，共计7个浪向。所确定的各波浪参数见表1。

表1　波浪参数

主要关注双体船关键位置处的剖面载荷，考虑到计算机的运行速度，将船体分成10个分段，并因此确定11个自船艉至船艏均匀分布的横向计算剖面，每个剖面间隔一站，编号为1～11。1号剖面位于船艉0站处；1个位于连接桥中纵剖面的纵向计算剖面，编号为12。根据上述各波浪载荷响应参数和计算剖面，计算目标船在规则波作用下的响应，得到各规则波中的船体运动响应、剖面载荷响应及船体水动压力分布。

2.2规则波计算结果

规则波计算结果见表2。

表2　规则波计算结果

图2　#6剖面纵向弯矩频率响应分布

图3　#12剖面纵摇转矩频率响应分布

图4　#12剖面横向弯矩频率响应分布

2.3波浪载荷长期预报

表3　载荷长期值

图5　纵向弯矩及纵摇转矩载荷长期值

图6　横向弯矩载荷长期值

2.4设计波参数的确定

对各剖面载荷频率响应函数进行搜索，确定设计波的浪向、相位、频率，通过对剖面载荷的长期预报确定设计波的波幅。由于设计波是简谐变化的，不同瞬时各载荷分量的组合是不同的，因此在设计波参数确定后，要进一步计算瞬时值。将波浪载荷直接计算的长期值作为波浪载荷的设计极值，计算瞬时则是取主要载荷参数达到最大值的时刻，确定各工况下的浮体受力状态，进而得到各计算工况设计波参数。具体计算工况定义及其设计波参数见表4。

表4　各计算工况设计波参数

3　屈服屈曲强度计算及校核

根据直接计算法的思路将静水压力、波浪动压力以及全船运动的惯性力施加到整个船体上。

其中静水压力的基本计算公式为

(1)

式中：ρw——海水密度；

h1——相应工况下的吃水。

波浪动压力则是根据设计波参数，通过三维波浪载荷计算程序WALCS计算所得的压力，利用基于PCL语言的自动加载程序，施加于有限元模型。

在板架模型的边界处，采用简支边界条件。

3.1屈服屈曲强度校核准则

根据2015版《海上高速船入级与建造规范》对全船进行屈服屈曲强度校核，其准则如下[4-5]。

1)屈服强度校核准则。结构构件的许用屈服应力按表5取用。

表5　结构构件的许用屈服应力

注：σsw-材料焊接后的屈服强度，MPa。

2)屈曲强度校核准则。复合应力作用下，临界应力与实际工作应力的比值应不小于安全因子λ，λ计算方法见表6。

3.2屈服屈曲强度校核及结果分析

计算结果表明目标双体船的甲板、底板、横舱壁、横框架、纵桁在6种工况计算中较为危险。据计算结果和构件受力特点列出各重要构件在计算中的最危险工况，认为构件若能够在最危险工况中满足屈服校核衡准，则该构件在其他工况的计算中也能够满足屈服衡准[6]。主要构件校核结果见表7、8。表8中典型危险位置见图7。

表6　λ计算公式表

表7　主要构件板单元相当应力校核结果

表8　主要构件屈曲强度校核结果

图7　典型结构位置示意

计算结果表明，全船的纵向构件如甲板、外板以及纵桁都产生了较高的应力。此外，与许用值相比，主要构件均满足校核要求，对于这6个工况，目标船的屈服强度和屈曲强度都比较强。

3.3高应力区精细网格有限元计算

基于载荷直接计算结果，选取全船应力集中较为显著和典型的2个位置进行50 mm×50 mm的精细网格计算[7]，节点分布及其应力云图见图8～10。分析计算结果，见表9。

图8　高应力区精细网格有限元模型

图9　细化节点1应力云图

节点区域平均值/MPa许用值/MPa应力比/%1细化前131.63164.5080.02细化后165.28282.0058.612细化前112.32157.4571.34细化后157.58282.0055.88

网格尺寸越大越不容易反应船体受力的实际情况，越小的网格尺寸反应出来的应力水平越真实。通过比较细化前和细化后的计算结果，发现高应力区域应力水平在80%以下，说明此船的总强度性能比较好。

4　结论

1)该船在数值计算过程中采用直接计算方法，与传统的规范计算方法相比，更能符合实际船舶在特定海域的工作状态。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)从应力云图可以看出，在双体船遭遇迎浪状态即工况1时，其应力主要集中在船中附近。在双体船遭遇横浪状态即工况5时，其应力主要集中在距离船艏艉1/4 L处。因此这些位置在设计时可以适当进行加强，以增强船体寿命。

3)网格数越多，计算所需的时间越多。考虑到计算难度，不可能全船使用细网格。应首先综合考虑模型计算结果的准确度与计算难度对全船进行计算，得到高应力危险区域位置；再对危险位置进行细化并重新计算。此时的计算结果比较能够反应实际情况。

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

[2] 杨平,黄乐华.双体船结构的直接计算分析[J].船海工程,2006(5):4-7.

[3] 孙丽萍.船舶结构有限元分析[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,2004.

[4] CCS船级社.海上高速船入级与建造规范[S].2015.

[5] CCS船级社.油船结构直接计算分析指南[S].2003.

[6] 郭勤静.北海恶劣海况下半潜钻井平台总体屈服及屈曲强度分析[J].船海工程,2015(6):105-113.

[7] 吴荻.双体船船体结构强度的直接计算法[D].武汉：武汉理工大学,2004.

Finite Element Analysis of the Catamaran′s Strength Based on the Direct Calculation Method

WANG Ai-min1, WANG Xu2, REN Hui-long2, LU Xiao-long2

(1.The 92941st Army of the Chinese People's Liberation Army, Huludao Liaoning, 125000, Chian;2.Marine Engineering Institute, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

WALCS is adopted to calculate the wave external load and carry out the load calculation whose controlling parameters are longitudinal bending moment, pitching torque and horizontal bending moment. The structural yield and buckling strength of the whole ship are assessed by direct calculation method. According to the strength evaluation results of the whole ship, several typical nodes in high stress level are selected to carry out the fine mesh finite element analysis, which provides the basis for strength check and structural design of the catamaran.

catamaran; finite element analysis; direct calculation; strength check

2016-01-01

2016-02-26

国家自然科学基金(5150090298)

王爱民(1963—)，男，本科，高级工程师

U661.43

A

1671-7953(2016)04-0024-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.006

研究方向:水面靶标控制技术

E-mail:wangxuloto@yeah.net