近年来, 内河及湖泊观光艇在旅游业的大力推动下得到了长足发展。观光艇在追求快速性的同时, 安全性、轻便性、稳定性和大装载量是其必须考虑的关键效益因素。铝合金材料重量相对碳钢而言轻了许多 (密度仅为碳钢1/3) , 在相同的排水量下能实现更多的载客量, 得到更高的推进效率。[1,2,3]而三体船属于小水线面船艇, 在保证快速性的同时还能提高艇体的稳定性, 有效提高观光艇的舒适性。然而, 三体船 (艇) 由于结构相对单体船复杂, 其在航行过程中所受到波浪等的作用产生的结构响应也不易通过简单方式计算得出,因此比较好的方式是通过有限元软件对全船进行建模计算, 综合分析其在特定载荷作用下的总纵、总横及扭转强度, 以确保运营过程中的人命财产安全。本文根据某圆筒形筒体的三体铝合金观光艇, 参照CCS“内河高速船入级与建造规范 (2012) ” (以下简称“规范”) 规定的载荷, 采用通用结构计算软件Geni E对其进行全船有限元建模, 并分析相应的结构载荷响应。[4]

1有限元模型

1.1观光艇结构特点

该观光艇总长为10.8 m, 型宽3.2 m, 型深0.77 m, 设计吃水0.3 m。观光艇为左右对称结构, 包括三个直径为覫610 mm的圆形浮体, 片体间距为1.245 m, 浮体与甲板通过T型材连接, 如图1所示。艇体结构材料为铝合金5083, 其弹性模量为E=6.9×1010Pa, 泊松比为ν=0.33, 密度为ρ=2.8 t/m3。

图1 筒形三体铝合金艇基本结构

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1.2有限元模型

根据“规范”要求, 对船舶进行全船模型有限元分析。其中筒体、舱壁、桁材腹板等平板结构用板单元模拟, 桁材面板其它小的骨材用杆单元模拟。有限元模型全局网格大小为50 mm, 有节点35 222个, 单元37 326个, 如图2、3所示。

图2 有限元结构模型

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图3 有限元离散网格

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2计算工况及计算方法

如前文所述, 需要对该三体铝合金艇进行总纵、总横及扭转强度分析。根据“规范”要求, 高速航行状态下艇体总纵强度主要承受波浪冲击在船重心附近区域引起的波浪垂向弯矩, 分为中拱和中垂两种情况:总横强度及扭转强度需考虑以下载荷:总横弯矩:中纵剖面处的垂向剪力:对横向Y轴的扭矩:其中, C1, C2为航区系数, b为片体间距。目前对全船总纵强度有限元分析尚无具体的规范对载荷施加方式及对应的边界条件进行详细的说明, 本文为了模拟整船在总纵弯矩下结构中拱中垂的受力情况, 采用如下经验公式将总纵弯矩转化为分布力施加到船体中纵线上:式中, , MBY分别对应波浪冲击在船重心附近区域引起的波浪垂向弯矩MHog (中拱) 、MSag (中垂) , 载荷施加情况如图4所示。同时, 在船尾及船首处约束x、y、z三个方向的线位移作为边界条件, 如图5所示。总横弯矩通过弯矩和力的线性关系转化为作用在左右浮体上的分布力, 同时约束甲板左右舷边3个方向的线位移;同理扭转弯矩也可以转化为作用在首尾对角线上的作用力, 并约束另一对角线端点的6个自由度与之对应, 如图6所示。

3有限元结果分析

3.1许用应力

本船船身材料为铝合金5083, 其弹性模量E=6.9×1010Pa, 泊松比ν=0.33, 屈服强度为σsw=305 MPa。根据“规范”规定, 铝质船体的许用应力如下:

拉伸许用应力[σ]=0.67σsw=0.67×305=204 MPa;

剪切许用应力[τ]=0.38σsw=0.38×305=116 MPa;

等效应力许用值[σc]=0.75σsw=0.75×305=229 MPa。

3.2有限元计算结果

经过计算, 总纵强度 (中拱和中垂) 、纵横强度及扭转强度应力结果分布汇总如表1、2所示, 典型应力云图如图7-9所示。

表1 总纵强度应力 (MPa) 汇总 下载原表

表1 总纵强度应力 (MPa) 汇总

表2 总横及扭转强度应力 (MPa) 汇总 下载原表

表2 总横及扭转强度应力 (MPa) 汇总

图7 筒体结构总纵强度等效应力云图

图7 筒体结构总纵强度等效应力云图 下载原图

图8 筒体结构扭转强度等效应力云图

图8 筒体结构扭转强度等效应力云图 下载原图

图9 筒体结构总横强度等效应力云图

图9 筒体结构总横强度等效应力云图 下载原图

4结束语

本文采用有限元手段, 选取典型工况对筒形三体铝合金艇的结构强度进行了计算, 通过应力结果分析, 可以得出如下结论, 为该类船舶的设计和校核提供参考:

(1) 从应力云图可以看出, 运用有限元软件结合经验公式及等效边界的方法, 能够较为真实地反映三体船的总纵、总横及总扭弯曲, 得到符合变形规律的应力值;

(2) 受结构形式的影响, 中垂弯矩更容易造成圆筒形浮体的三体船总纵强度失效;

(3) 在设计载荷作用下, 结构总横应力普遍较小, 说明采用圆筒形浮体的三体船有较好的抵抗总横弯矩的能力;

(4) 连接各个浮体的横向构件 (即连接桥) 在总纵和扭转弯矩作用的工况下, 容易产生较高的应力, 在设计时要着重考虑其强度问题。