铝质高速船由于快速、舒适等优点, 已经成为内河、近海航运的主要交通工具。在1979年以前, 我国只有铝质上层建筑建造的历史, 直到1979年才成功地研制出新型耐蚀可焊船用铝合金 (LF16合金) , 又研制成线能量小、焊速快的半自动脉冲氢弧焊接设备 (NBA-200) , 铝船建造才有了开创性突破。船用铝合金由于具有比重小、强度高、耐海水腐蚀、焊接性好等优点, 世界各国建造的高速船体几乎均为铝质焊接结构。[1,2]10.88 m三体铝合金休闲艇船体主要由两侧片体、中间片体、上层建筑和中间连接结构组成。船长为10.88m, 故按照CCS《内河小型船舶建造规范》进行设计。由于艇体材料为铝合金, 本文采用有限元方法对三体铝合金休闲艇整船结构强度进行分析。

1有限元强度分析

1.1船体主要参数

10.88 m三体铝合金休闲艇船身主要采用三种类型的材料:方管100×44×2 mm、方管80×44×2 mm和方管80×80×2 mm, 下方筒体的厚度2.5 mm。整船主要参数为:总长10.88 m, 总宽3.30 m, 型深0.61 m, 吃水0.31m, 排水量4.5t, 动力为液化气挂机150hp, 航区C级。整船主要布置如图1所示。

图1 三体铝合金休闲艇布置图

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1.2有限元模型

取全艇范围内的船体结构构件建立三维有限元模型进行计算, 全艇有限元模型如图2所示。

图2 全艇有限元模型

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1.3参数设置

本艇结构材料为铝合金, 其中板材为5083 H116, 型材为6061 T5。杨氏模量:E=0.69×105MPa;泊松比:ν=0.33;密度:ρ=2.67×103kg/m3;重力加速度:g=9.81 m/s2。取右手直角坐标系:x轴沿船长方向, 向首为正;y轴沿船宽方向, 向左舷为正;z轴沿型深方向, 向上为正。坐标原点选在0#肋位与基线相交处。片体外板、封板和腹板结构采用板单元;横梁、纵骨以及连接结构等采用梁单元。采用细化网格, 尺寸约为5 050 mm, 网格尽量为四边形, 在向首尾过渡中应用了少许三角形单元。梁单元依附板单元建立, 大小与板单元适应并考虑梁单元偏心情况。[3]模型中共有33 428个节点, 33 656个单元。

1.4边界条件

边界条件采用惯性释放的方法进行处理, 惯性释放点选取艇中甲板处节点Node16273。

1.5施加载荷

(1) 舷外静水压力。静水压力计算如式 (1) 所示:式中, ρ为水密度, 取ρ=1.0×103kg/m3, g为重力加速度, 取g=9.81 m/s2。本艇设计吃水为0.31 m, 故在模型中调用场函数9 810× (0.31-‘Z) 对本艇加载水压力, 如图3所示。

(2) 甲板载荷。甲板载荷可通过甲板水压头进行换算, 按照CCS《内河小型船舶建造规范》要求可得h取为0.67 m, 甲板载荷以线性分布的形式施加于连接两侧片体的横向构件上。[4]

1.6应力计算结果

对于铝合金结构而言, 其屈服强度在焊接前后通常会发生很大变化。规范一般要求5083板材焊接前后屈服强度分别为215/125 MPa, 6061型材屈服强度为240/115 MPa, 各构件应力计算结果如表1所示。

表1 各构件的应力计算结果 下载原表

表1 各构件的应力计算结果

从计算得到的结果可以看出, 片体和连接板的结构强度满足规范中许用应力的要求, 然而横梁和纵骨的弯曲应力不满足规范的要求。因此, 有必要对一些薄弱的构件进行加强。

2结构改进后的强度分析

2.1加强横梁和纵骨强度的措施

由于10.88 m三体铝合金休闲艇中的横梁和纵骨的强度不满足要求, 因此横梁由原来的方管80×44×2 mm变为方管80×44×3 mm;纵骨由原来的方管80×80×2 mm变为方管80×80×3 mm (也就是厚度由2 mm变为3 mm)。构件布置情况保持不变, 如图4所示。

图4 10.88 m三体铝合金休闲艇构件改进图

图4 10.88 m三体铝合金休闲艇构件改进图 下载原图

2.2改进后的构件应力计算结果

改进构件后的应力计算结果如表2所示。

表2 各构件的应力汇总 下载原表

表2 各构件的应力汇总

从有限元直接计算得到的结果可以看出, 各构件最大应力均满足CCS《钢质内河小型船舶建造规范》要求,符合强度要求。

3结束语

目前, 内河高速船大都采用铝合金材料, 而我国铝质船舶建造发展较为缓慢。本文以10.88 m三体铝合金休闲艇为例, 对其提出了计算结构强度校核的计算步骤和分析方法, 并对不满足要求的结构进行改进。改进后的10.88 m三体铝合金休闲艇整船结构强度的计算结果满足“规范”要求, 可以为这类特殊船型特殊布置的船舶在进行强度分析提供参考, 具有一定的借鉴意义。