砰擊載荷作用下雙體船強(qiáng)度計(jì)算方法研究

郭 京，李 欣，叢 濱，韓春生

(1. 中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000；2. 哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；3. 青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司，山東 青島 266000)

砰擊載荷作用下雙體船強(qiáng)度計(jì)算方法研究

郭 京1，李 欣2,3，叢 濱1，韓春生1

(1. 中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000；2. 哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；3. 青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司，山東 青島 266000)

艦船的砰擊載荷與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究一直備受關(guān)注。對(duì)于雙體船來說,砰擊按部位可分為底部砰擊、外飄砰擊和甲板上浪，和連接相鄰船體的甲板下側(cè)，即濕甲板砰擊。目前對(duì)于雙體船的砰擊計(jì)算還不完善，因此對(duì)于該船型的砰擊研究十分必要。本文分別利用規(guī)范計(jì)算和直接計(jì)算的方式，對(duì)砰擊載荷作用下雙體船強(qiáng)度影響進(jìn)行研究。規(guī)范計(jì)算主要基于中國(guó)船級(jí)社規(guī)范計(jì)算砰擊載荷，直接計(jì)算則是通過線性勢(shì)流理論預(yù)報(bào)船波相對(duì)速度，借助相關(guān)規(guī)范確定砰擊壓力系數(shù)，實(shí)現(xiàn)砰擊載荷的直接計(jì)算。通過有限元軟件加載計(jì)算，分析比較 2 種載荷計(jì)算方法對(duì)雙體船強(qiáng)度的影響，以指導(dǎo)砰擊載荷作用下雙體船局部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)踐。

雙體船；規(guī)范計(jì)算；直接計(jì)算；強(qiáng)度；砰擊載荷

0 引 言

船舶在航行時(shí)，遇到惡劣海況，常常會(huì)產(chǎn)生劇烈的搖蕩運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致波浪與船體之間發(fā)生劇烈的沖撞現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為砰擊。砰擊導(dǎo)致的破壞后果嚴(yán)重，不僅能損傷局部結(jié)構(gòu)，而且能使全船的強(qiáng)度喪失。為了避免雙體船受砰擊而導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)損傷乃至失效，因此，尋找一種適合雙體船的砰擊載荷計(jì)算方法，仍然具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

Von Karman[1]最早開始研究楔形體結(jié)構(gòu)入水問題，忽略液面升高的影響和流暢運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊，提出了砰擊壓力公式；Jason John McVicar 等[2]基于模態(tài)法，研究了砰擊時(shí)間和砰擊力的瞬時(shí)形態(tài)對(duì)雙體船的影響；戴仰山等[3]探討了底部砰擊響應(yīng)對(duì)于船體總縱強(qiáng)度的影響；于鵬垚等[4]研究了船首外飄砰擊設(shè)計(jì)載荷直接計(jì)算；夏齊強(qiáng)等[5]針對(duì)雙體船濕甲板砰擊和連接橋易受到砰擊的特點(diǎn)，分析了迎浪狀態(tài)時(shí)，在波浪載荷與砰擊載荷共同作用下小水線面雙體船的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并研究了砰擊載荷對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要影響；劉佳[6]通過 Ls-Dyna 顯示非線性動(dòng)力分析軟件，模擬分析不對(duì)稱雙體船在砰擊作用下不同部位所受到的壓力、應(yīng)力響應(yīng)與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；岳永威等[7]利用 Ansys 建立雙體船有限元模型，采用沖擊波壓力算法，在時(shí)域中對(duì)雙體船的薄弱部位和典型部位進(jìn)行強(qiáng)度分析。然而雙體船的這種砰擊模式是船體與波浪相互作用而產(chǎn)生的一種高度非線性現(xiàn)象，在船體入水過程中，船體、空氣和水進(jìn)行了復(fù)雜的耦合作用，特別是空氣層在船體入水過程中的“活塞壓縮”情況對(duì)濕甲板砰擊壓力的峰值和分布情況造成了很大的影響。若嚴(yán)格進(jìn)行求解，問題將會(huì)非常復(fù)雜，且計(jì)算量龐大?？偟膩碚f，對(duì)雙體船砰擊載荷的研究尚顯欠缺，需要對(duì)此問題進(jìn)行一些近似和假設(shè)，從而提出一套較為經(jīng)濟(jì)可行的工程實(shí)用方法。

本文借助 CCS 指南[8]，研究校核大型SWATH船局部砰擊強(qiáng)度的規(guī)范計(jì)算。并通過直接計(jì)算的方法，求解得到船在不規(guī)則波中的相對(duì)位移時(shí)歷，進(jìn)而求得相對(duì)速度時(shí)歷，得到砰擊時(shí)刻并求的船首附近剖面的砰擊壓力，研究砰擊計(jì)算結(jié)果的差異，為相關(guān)船型的砰擊載荷預(yù)報(bào)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。

1 砰擊載荷規(guī)范計(jì)算及強(qiáng)度評(píng)估

1.1 有限元模型

結(jié)合 CCS《小水線面雙體船指南》有關(guān)規(guī)定和雙體船的結(jié)構(gòu)特性，通過通用的有限元軟件 MSC.PATRAN 建立全船有限元模型。模型如圖 1 所示。

1.2 計(jì)算方法

波浪砰擊壓力的大小、作用位置和區(qū)域隨時(shí)間變化。其瞬時(shí)峰值對(duì)面板和局部扶強(qiáng)材的作用影響尤為顯著。在合理選取凈空后，砰擊壓力峰值Pmax按下式計(jì)算，砰擊壓力分布如圖 2 所示：

式中：n=6.78；LP為縱向砰擊力系數(shù)，如圖 3 所示；Lb為連接橋箱體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，m。

當(dāng)砰擊現(xiàn)象發(fā)展到較大區(qū)域時(shí)，可表征為板格或板架整個(gè)作用區(qū)域上的平均垂向設(shè)計(jì)壓力Pdes，且按下式計(jì)算：

式中Kd為系數(shù)，按下式計(jì)算：

式中：Kn為系數(shù)，計(jì)算同Kd，但計(jì)算時(shí)取Ad為 1 m2；Ad為Pdes的作用覆蓋面積，取與Ar同一單位；Ar為參照面積，m2，且按下式計(jì)算：

式中：Lb為連接橋箱體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，m；B為船寬，m。

1.3 載荷計(jì)算位置選取

由于計(jì)算的是濕甲板處的砰擊，本次計(jì)算加載位置選取為水線以上至z方向 14 m 處全船外殼部分。如圖 4 所示。

砰擊加載根據(jù)公式將全船分為 12 個(gè)部分，以水密艙壁進(jìn)行劃分。從船尾至船首分段位置如表 1 所示。

表1 分段位置表Tab. 1 Hull section position

1.4 計(jì)算結(jié)果

采用 MSC.PATRAN 及其 PCL 場(chǎng)函數(shù)功能實(shí)現(xiàn)砰擊壓力的有限元加載計(jì)算。部分結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)云圖如圖 5～圖 6 所示。

選取部分船體構(gòu)件并提取結(jié)果，結(jié)果如表 2 所示。

1.5 計(jì)算結(jié)果分析

由應(yīng)力云圖可看出，高應(yīng)力結(jié)果集中在船首區(qū)域，但在舷臺(tái)及支柱體也存在高應(yīng)力區(qū)域。且高應(yīng)力區(qū)域基本在橫縱構(gòu)件上，濕甲板應(yīng)力較小。由表格看出，砰擊對(duì)大型 SWATH 船中的一些結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響很大，橫艙壁、橫框架、外板的應(yīng)力水平均較大，縱向構(gòu)件例如縱艙壁、縱隔板、縱桁影響尤其較大，大型SWATH 船的縱向強(qiáng)度受砰擊影響較大，而且這種影響是不能忽視的，需要重點(diǎn)關(guān)注。

表2 規(guī)范計(jì)算最大 Mises 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab. 2 The maximum Mises stress calculation result of specification

2 砰擊載荷直接計(jì)算及強(qiáng)度評(píng)估

2.1 概述

該部分基于三維線性勢(shì)流理論，對(duì)船體與波浪之間的相對(duì)速度進(jìn)行直接計(jì)算，選取強(qiáng)度評(píng)估中最可能發(fā)生砰擊的工況，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式確定砰擊壓力系數(shù)，預(yù)報(bào)典型剖面的砰擊壓力，實(shí)現(xiàn)砰擊載荷的直接計(jì)算。通過對(duì)船體進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，計(jì)算得到全船的應(yīng)力分布，并與規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。

2.2 砰擊發(fā)生的條件

濕甲板砰擊情況在船舶壽命期內(nèi)并不時(shí)有發(fā)生，需要滿足一定的運(yùn)動(dòng)條件。首先，濕甲板與波浪接觸是發(fā)生砰擊的必要條件，否則砰擊現(xiàn)象將無法產(chǎn)生。此外，理論與試驗(yàn)研究都表明，當(dāng)平板發(fā)生砰擊時(shí)，只有當(dāng)垂向相對(duì)速度超過了某一閥值時(shí)，才會(huì)在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生可以計(jì)量的壓力值。因此，當(dāng)船體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)滿足以上 2 個(gè)條件時(shí)，認(rèn)為濕甲板砰擊情況發(fā)生。

設(shè)縱搖角為 θy，垂蕩位移為Zg，波面坐標(biāo)為 ζ，那么，在x剖面處，船與波浪的相對(duì)位移為：

砰擊的發(fā)生，涉及的是船舶與波浪在空間的相對(duì)位置，因此，這時(shí)的垂向相對(duì)速度應(yīng)為上式對(duì)時(shí)間的求導(dǎo)：

發(fā)生砰擊時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)為負(fù)，所以需要滿足：

船在滿載狀態(tài)下吃水為 7.5 m，濕甲板距離基線的高度為 11 m，則只需保證波面與濕甲板的相對(duì)位移為3.5 m 即可，且同時(shí)保證二者的相對(duì)速度為負(fù)。

2.3 砰擊壓力的計(jì)算

借助勞式船級(jí)社規(guī)范[9]計(jì)算連接橋處砰擊壓力，公式為

式中ks1為船體形狀系數(shù)。具體計(jì)算公式如下：

式中：βp為升高角，(°) ，Vbs為沖擊速率， m/s。

可以看出，砰擊壓力主要由砰擊壓力系數(shù)和沖擊速率決定，而砰擊壓力系數(shù)僅取決于砰擊角，根據(jù)連接橋發(fā)生砰擊區(qū)域的特點(diǎn)，取砰擊角為 0°。

2.4 相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)歷計(jì)算

對(duì)于該雙體船，航速取為 5 kn，有義波高參考海浪譜響應(yīng)海況有義波高的平均值，跨零周期的確定首先需估計(jì)船本身的對(duì)應(yīng)特征周期，該雙體船在 8.5 s 左右，跨零周期選取接近船的特征周期的值。取 6 級(jí)海況，取波浪的Hs為 5 m，T= 9.8 s。計(jì)算剖面選擇船首附近的若干剖面，計(jì)算船與波相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)歷，以及這些剖面達(dá)到砰擊時(shí)刻砰擊壓力的大小。典型剖面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)歷如圖 7～圖 8 所示。

2.5 計(jì)算結(jié)果

依照砰擊載荷規(guī)范計(jì)算的載荷加載方式，將上述剖面的砰擊壓力加載到相應(yīng)部位，得到計(jì)算結(jié)果。部分結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)云圖部分如圖 9～圖 10 所示。

選取部分船體構(gòu)件并提取結(jié)果，結(jié)果如表 3 所示。計(jì)算得到各個(gè)部位的應(yīng)力大小，可以看出在船首附近發(fā)生砰擊時(shí)，對(duì) 2 個(gè)部位的影響較大，即舷臺(tái)及支柱體處在 FR168 處的橫框架，尤其在距離中部 6.72 m附近，應(yīng)力值達(dá)到 299 MPa，另一處為隔板，位于FR168 處的橫隔板應(yīng)力值達(dá)到 300 Mpa，F(xiàn)R164-FR172處的縱隔板應(yīng)力達(dá)到 573 MPa，而濕甲板的應(yīng)力值也較規(guī)范計(jì)算的大，達(dá)到 163 MPa。

2.6 計(jì)算結(jié)果比較分析

將規(guī)范計(jì)算砰擊響應(yīng)、直接計(jì)算砰擊響應(yīng)進(jìn)行比較分析，所得結(jié)果如表 4 所示。

表4 砰擊載荷最大 Mises 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab. 4 The maximum Mises stress calculation results compared of slamming load

由計(jì)算結(jié)果可知規(guī)范加載下，上建圍壁、上船體橫艙壁、隔板、舷臺(tái)支柱橫框架、舷臺(tái)支柱縱桁較為危險(xiǎn)。直接計(jì)算下砰擊載荷對(duì)上船體橫艙壁、隔板、舷臺(tái)及支柱體橫框架的影響較大，尤其在船首肋位號(hào)FR168-FR172 的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要重點(diǎn)考慮，二者在上述結(jié)構(gòu)能保持相對(duì)的一致性。然而雙體船砰擊模式與常規(guī)的平板入水砰擊模式畢竟不同，濕甲板并不是同時(shí)全面地進(jìn)入水中，存在時(shí)間和空間上的分布不均勻性，且涉及到流體，空氣和結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)耦合分析，規(guī)范計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式仍存在著部分局限性。在某些少數(shù)部位，例如濕甲板、隔板、舷臺(tái)及支柱體橫框架，直接值較規(guī)范值大，反映了直接計(jì)算在特殊部位更有準(zhǔn)確性、合理性。

3 結(jié) 語

本文通過使用 2 種不同的砰擊載荷的計(jì)算方法，對(duì)比分析了砰擊載荷對(duì)雙體船強(qiáng)度的影響，得出了以下結(jié)論：

1）綜合規(guī)范校核與直接計(jì)算的結(jié)果來看，規(guī)范校核比直接計(jì)算更為保守，影響的區(qū)域更廣；

2）對(duì)于雙體船，濕甲板的砰擊是需要予以足夠的重視，由上述對(duì)比結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，直接計(jì)算的計(jì)算結(jié)果與規(guī)范結(jié)果相比較大，這與實(shí)際情況比較相符，可以發(fā)現(xiàn)直接計(jì)算較規(guī)范計(jì)算在某些特殊結(jié)構(gòu)處更具有針對(duì)性，結(jié)果更為合理；

3）砰擊對(duì)強(qiáng)度有一定影響，比較 2 種砰擊載荷的計(jì)算方法發(fā)現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)對(duì)船首附近的隔板結(jié)構(gòu)、船體橫框架以及濕甲板進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，為以后雙體船結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

[1]VON KARMAN T. The impact on seaplane floats during landing. NACA TN321, Oct. 1929.

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[5]夏齊強(qiáng), 陳志堅(jiān). 波浪載荷與砰擊載荷聯(lián)合作用下 SWATH船結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2012(3).

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Research on calculation method of catamaran strength subjected to slamming load

GUO Jing1, LI Xin2,3, CONG Bin1, HAN Chun-sheng1
(1. No. 92941 Unit of PLA, Huludao 125000, China; 2. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 3. Qingdao Haixi Heavy-duty Machinery Co., Ltd., Qingdao 266000, China)

The research of ship slamming load and structure response has been closely watched. For catamaran, slamming the parts can be divided into the bottom slamming, flare slamming and wave on the deck, and connected to the adjacent hull deck underside, slamming the wet deck. Now for the catamaran slamming calculation is not perfect, so it is quite necessary for the ship slamming research. This paper specification, respectively, and the direct calculation, catamaran strength under the action of the slamming load effect were studied. Specification was mainly based on the China classification society standard slamming load calculation. By linear potential flow theory, direct calculation forecasted ship wave relative velocity, with the help of the relevant specification to determine the slamming pressure coefficient, realized the slamming load of direct calculation. Through the finite element software load calculation, this paper analyzed and compared two kinds of load calculation method of catamaran strength to guide design practice of catamaran parts of structure subjected to slamming load.

catamaran；specification calculation；direct calculation；strength；slamming load

U661.3

A

1672 - 7619(2017)04 - 0019 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.004

2016 - 07 - 18；

2016 - 12 - 27

郭京(1975 - )，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗姘袠?biāo)總體技術(shù)。