小水线面双体船结构有限元分析

岳兴华　毛斌峰　赵经玲　侯德军

摘    要：小水线面双体船是一种综合性能优良并具有广泛应用前景的新船型。此种船型其结构相对单体船更为复杂，设计时尤其需要重视结构总横强度及扭转强度问题。基于大型有限元软件SESAM，对某小水线面双体船采用直接计算方法进行结构强度分析，表明在横浪和斜浪情况下对其横向强度及扭转强度影响明显，应重点考虑特殊部位结构加强。总结出强度校核方法，并给出具有一定实用价值和工程指导意义的结论。

关键词：小水线面双体船;有限元;横向强度;扭转强度

中图分类号：U661.4                                文献标识码：A

Abstract： SWITH is a new type of ship with excellent comprehensive performance and wide application prospect. The structure of this type of ship is more complex than that of a mono hull ship， so it is necessary to pay special attention to the problems of total transverse strength and torsional strength. Based on the finite element software SESAM， the direct calculation method is used to analyze the structural strength of a SWITH. The results show that the transverse strength and torsional strength of the SWITH are obviously affected by the transverse and oblique waves and the strengthening of the structure of special parts should be considered. The strength checking method is summarized， and the conclusion with certain practical value and engineering guiding significance is given.

Key words： Small water-area twin hull vessel （SWATH）; Finite element; Transverse strength; Torsional strength

1     前言

小水线面双体船由提供浮力的下潜体、作为连接和提供水线面积的立柱及宽敞的上船体组成。具有甲板空间大、稳性好、水动力性能优良等优点。

小水线面双体船既兼容了双体船、潜艇和水翼船的优点，又克服了这些船型的缺陷，成为了综合性能优良的新船型[1]。 从二十世纪后期开始发展就备受瞩目，被广泛使用在科考、军事、客运、旅游观光等领域，并逐渐向高速化、大型化的方向发展[2]。

由于双体船的结构相对单体船更为复杂，其结构强度不同于单体船的主要考虑总纵强度，而更重要的还需考虑船体的总横强度及扭转强度问题[3]。在分析双体船的总横强度及扭转强度时， 一般采用有限元分析程序进行分析计算。

本文利用大型有限元分析软件SESAM，对某35m小水线面双体科考船的总横强度及扭转强度进行分析。本船根据中国船级社《小水线面双体船指南》（2005）（以下简称“指南”）及《国内航行海船建造规范》（2015）设计。但是“指南”中关于连接桥设计的内容很少， 只在总强度要求中提出应校核在波浪中航行时的总横强度和扭转强度[4]。

2    結构形式及模型

2.1   主要尺度及结构形式

该船为横骨架式、单底结构、有首升高甲板的钢结构船舶。采用双机、双桨、双舵推进系统;甲板以下共设5 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

该船结构模型范围为：纵向为整个船长;横向为整个船宽;垂向为从基线至主甲板。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;其他加强筋和纵骨等普通构件以及强构件面板等采用两节点梁单元进行离散;结构模型单元总数为60 523、节点总数为42 653。整体有限元模型，如图1 所示。

3     载荷工况及边界条件

3.1   载荷工况

3.1.1总体横向弯矩

根据“指南”第3.2.2节[5]，小水线面双体船所遭受的横向波浪载荷，通常为最大横向载荷。总体横向弯矩MTR，由横向对开力Fy作用形成的弯矩MF和船体所受到的浮力（PS+PLR）及船体重力（PDL_B+PDL_S）合成作用形成的弯矩MDL组合而成：

3.1.2 总体水平扭矩

根据“指南”第3.2.3节，当小水线面双体船遭受斜浪或由于船体前后线型存在布置上的实际差异时，致使横向对开力Fy沿船长方向产生不均匀的分布状况，其受力之差使两个片体在水平面内形成首分离力矩，并发生相对扭转，则需按以下加载方式模拟水平扭矩作用效果：

3.1.3  總体不同步纵摇扭矩

根据“指南”第3.2.4节，小水线面双体船两个片体之间的不同步纵摇运动产生的对水平横向轴的纵摇扭矩MP，其值取下列两式计算所得之大者：

MP可用均布线载荷等效，也可采用其他合适方法等效，但应使其每一部分的作用中心位置保持在前船体和后船体的中心处。

3.1.4 载荷组合工况

根据“指南”第3.2.7节，小水线面双体船每一种浪向角所表征的船体最大载荷如下：

（1）浪向角90°——最大横向弯矩和垂向剪切;

（2）浪向角45°/135°——严重的扭矩组合工况。

小水线面双体船结构总体分析的载荷计算工况，应按上述原则进行组合，对横向强度、扭转结构强度进行校核。表1给出了全船总体结构有限元直接计算的设计载荷计算工况。

3.2   边界条件

根据“指南”第5.2.3节，船体结构模型在各外力的作用下应处于平衡状态，因此边界支点符合以下要求：

（1）支点反力应尽可能为零;

（2）对整体模型的刚体移动进行约束。

4    分析计算结果

对上述前8个工况进行了分析计算，给出对应工况下板材和骨材结构的相当应力并进行强度校核。全船采用AH36高强度钢材，屈服强度为355 MPa，根据“指南”第5.3.1节，许用相当应力为0.85倍的屈服强度。表2为各工况结构应力校核结果。结构应力云图如图2～图9所示。由于本船左右完全对称，应力云图只需显示一半船体结构。

5    结语

（ 1） 由表2可知：本文的小水线面双体科考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：对该小水线面双体船船体强度影响较大的是横向强度，且连接桥和立柱接口部位应力较其他位置应力要大，应重点考虑对该部位加强;

（3） 从计算结果可以看出：扭转强度要比横向强度小约30%。扭转工况下，在靠近船中部分的扭转应力和应变较小，但是在连接桥靠近首部和尾部的应力、应变都较大，结构设计应注意连接桥首尾处的结构加强。

参考文献

[1]  吴先彪，谭家华. 40米钢制双体船强度直接计算分析[J]. 中国海洋平台，2005，20 （2）：20-24

[2]  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， （6）：126 -130.

[3]  郑杰，谢伟.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.

[4]  Subramanian V A. Numeric design and evaluation of swath form[J]. International Shipbuilding Progress， 2002， 49（2）：95-125.

[5] China Classification Society. Guidelines of Small Waterplane Area Twin Hull Craft [S]. Beijing： China Communication Press， 2005.