基于CATIA的气垫船首部三元柔性围裙抗缩进性能数值分析

2020-10-26张宗科徐圣杰

船舶 2020年5期

张宗科徐圣杰刘一

（中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011）

引言

全垫升气垫船在垫态航行时，柔性围裙充气成型形成高压气垫，将船体垫高悬浮在水面或地面之上，仅围裙下部的手指与运行表面柔性接触，使船具有水陆两栖性［1］。不同部位围裙手指与相对水流方向的关系不同，如首部围裙手指外端面顺水，侧部围裙手指的侧端面顺水，尾部围裙外端面逆水。

气垫兴波产生的纵倾角随航速逐渐减小，船在越出阻力峰高速航行时，纵倾角较小，如美国LCAC高速纵倾角一般在1.3°左右［2］。气垫船采用高置的空气螺旋桨推进，风速对螺旋桨推力影响较大。在遭遇顺风时，桨推力会突然加大产生低头力矩，使得首部围裙下部手指底端突然触水；遭遇其他船的尾浪时，手指承受的外力变为与航速平方成正比的水动冲击力，形成下拖的低头力矩。由于气垫船垫态纵稳性远小于排水状态，低头力矩使船纵倾角减小，导致首部围裙触水增加，形成恶性循环。若首部围裙抗缩进能力不足，则容易造成船刚性结构触水，形成埋首［1］。

以前首部围裙下部手指触水后采用二元等效分析方法，如图1所示。手指以一条斜直线等效代替，手指位于水面下（水深hw）的部分触水变形后平贴于水面（对应长度Lw），手指未触水部分的末端与水面呈圆弧过渡（对应圆心角为θ）。

图1 以前首部围裙下端触水变形二元等效分析方法

不过，上述等效分析方法存在一些不足之处，如未能考虑首部围裙实际三元形状，未计入围裙上囊指连接筋，以及手指实际结构（如前端面向两侧耳片的转圆过渡，手指前端面自上而下由平直线段过渡为半圆弧，拼接成手指的胶布拼缝宽度及位置等）的影响，如图2所示。［3-4］本文通过二次开发，实现CATIA中首部三元围裙的参数化建模［5］，通过Analysis & Simulation模块的Advanced Meshing Tools / Generative Structural Analysis，自动划分网格、设置材料特性、施加外载荷与边界条件等，进行成型计算，施加外部水动力载荷作变形分析，比较不同设计参数对抗缩进性能的影响，优化首部围裙设计。

图2 围裙手指与大囊的连接及手指典型结构

1 CATIA中围裙参数化建模及有限元分析方法

1.1 CATIA中围裙参数化建模

全垫升气垫船的围裙一般由安装在沿船体浮箱下部的周边围裙与安装在船底中部的分隔围裙组成。围裙的上部为连续的大囊，下部为相互独立的手指、锥筒指或小囊。设计时，一般先对周边围裙的首部、侧部、尾部、首转角、尾转角等部位的围裙典型二元剖面进行成型计算，必要时在小围裙箱上对上述剖面的缩尺围裙模型进行吹气成型与变形试验。在CATIA中构建围裙三维模型时，首先对上述部位的围裙典型剖面型线导入CATIA中不同参考面内构建剖面曲线作为控制截面（Section），随后构建围裙在船体上的内、外安装边线，囊指周向连接边线，以此为引导线将前述的控制截面扫略形成围裙大囊，如下页图3所示。当围裙典型剖面优化改进后，仅需重新导入剖面控制参数，围裙大囊会自动更新。［5］

图3 围裙建模示意图（左为周边围裙大囊，中为开式手指，右为锥筒指）

围裙的开式手指成型后形状如图4所示，由柱状的外端面、侧部的左/右耳片组成。将首、侧、尾等典型剖面处的手指下端点连成线，与囊指周向连接线一起作为导引线，利用首、侧、尾等部位的手指构造线扫略形成多截面曲面。首先建立单独的手指几何图形集，利用手指左/右耳片所在的垂向参考平面剖切上述扫略面，得到单个手指的左右耳片信息，构造形成该手指的圆柱形外端面，而手指耳片则由上述垂向参考平面与围裙大囊的交线及手指外端面两侧边线、耳片内边线围成曲面，如图3所示。

图4 围裙开式手指建模示意图

利用Join功能将手指外端面、左右耳片合成单个手指整体曲面。将上述单个手指几何图形集中有关参考面、交线、构造面等重命名，然后可将该手指几何图形集直接Copy/Paste，仅需修改耳片所在的垂向参考平面即可批量生成其余手指。一般而言，周边围裙下部的开式手指为100个左右。

锥筒指一般位于船的尾部或尾转角围裙，其形成封闭的锥面，以防止船在前行时手指兜水。可参照开式手指的建模过程生成封闭式锥筒指，其特点是上方下圆。锥筒指上端面矩形由左右耳片与大囊的交线、内外囊指周向连接线围成；下端面圆则位于左右耳片与手指扫略面交线围成的矩形内，以该矩形4条边的中点作为控制点生成封闭式样条曲线作为下端面的圆。

将上端面矩形4条边的中点与对应的下端面矩形4条边的中点连线作为构造锥筒面的引导线，同时将下矩形的两条对角线与下端面圆的交点，与上端面矩形对应的4个顶点相连也作为构造锥筒的引导线。以上端面矩形、下端面圆作为控制截面，利用上述8条引导线生成锥筒面，如图3所示。同样将该单个锥筒指几何图形集中的有关元素重命名，然后可直接Copy/Paste生成其余锥筒指，仅需微调其中的几个参数（如左右耳片所在的垂向参考平面）即可。

在CATIA中利用上述方法构建的英国BH7气垫船围裙三维模型如下页图5所示。

1.2 CATIA中围裙有限元分析方法

转入CATIA中的“分析与模拟”模块，可在子模块“Advanced Meshing Tools” 中的“Global Specifications”对话框中设置单元类型以及网格尺寸，在“Local Specifications”中的“Add/Remove Contraints”对话框中将囊孔边线、囊指连接线以及手指耳片所在平面与围裙大囊的交线等设定为单元节点所在的控制线，由“Imposed Elements”在控制线及Object的自由边上预置单元种子。［6］

图5 BH7全垫升气垫船围裙CATIA中3D模型（右为尾转角及尾部围裙的局部放大）

利用子模块“General Structural Analysis”中的Property、Material、Restraints、Loads分别设置材料与截面特性，边界约束及外载荷等，对手指与大囊的连接可利用“Seam Welding”来模拟，随后可进行有限元分析Results Computation。［6］

图6 CATIA中围裙大囊及手指的网格划分

2 在MVPP-10气垫船尾部围裙上的验证分析

由于所查到的气垫船文献资料中围裙触水/兜水变形的具体算例较少，故取日本MVPP-10气垫船尾部围裙兜水变形作为算例。

MVPP-10气垫船是日本三井公司引进英国技术建造的大型客运气垫船，总长23.1 m、总宽11.0 m、总宽6.5 m、总重约40 t、载客105人，最大航速52 kn［7］，参见图7。MVPP-10采用囊指型围裙，裙高1.2 m，周边的首侧部围裙下部为开式手指，尾转角及尾部围裙下部为封闭式的锥筒指。中间为“T”字形分隔围裙，上部为连续的大囊，其下部为相互独立的锥筒指。

图7 日本MVPP-10气垫船围裙结构及实船尾部围裙

MVPP-10的尾部围裙最早采用开式手指形式，在实用中易兜水、阻力大。TOYAMA Y等［7］通过理论与试验研究，将尾部围裙下部手指形式由开式指改为封闭式的锥筒指，改善了手指兜水、减小阻力，也延长了围裙使用寿命。

利用文献中的尾部围裙剖面线形，在CATIA中构建其三维模型，并完成有限元网格划分，与文献中模型比较如图8所示。

图8 MVPP-10尾部锥筒指型线及围裙典型分段有限元网格划分（右为CATIA中）

MVPP-10的尾部开式指围裙以及锥筒指围裙在施加气垫囊压、垫压及兜水阻力后的变形，分别见图9中左图、右图。可见围裙下部开式手指易兜水，手指外端面逆着水来流方向，在水动力作用下被向下拉，兜水更为严重。而封闭式锥筒指由内端面迎水，在水动力作用下上抬，兜水效应减少。由于高压气垫兴波的影响，在第一阻力峰处兴波引起的纵倾角最大，此时尾部手指兜水最为严重，船模试验结果表明，尾部开式指围裙对应的阻力峰值甚至达到锥筒指围裙的6倍。