基于有限元方法的双体船连接桥受力分析

　　摘 要：应用有限元分析软件ANSYS，分析某双体船连接桥部位的应力分布，为该部位的优化提供依据。 　　关键词：双体船；连接桥；有限元法；应力分布 　　1 前 言 　　近年来，越来越多的双体船占据了民用和军用船舶市场。他们新颖的外观、良好的综合性能受到世界各国的瞩目。对于双体船的设计来说，通过有限元方法进行结构强度的计算来不断优化双体船的设计显得尤为重要。双体船的连接桥结构强度是设计时需要重点考虑的问题之一，由于双体船沿宽度方向的尺寸变化非常大，连接桥结构的高度和片体型深相差很多，因此连接桥处就变成了双体船结构的一处薄弱环节。当双体船在航行中遭遇横向波浪时，两个片体存在一定的吃水差，此种情况下浮力与重力的不平衡将由连接桥来承担。当双体船在航行中遭遇斜浪时，即波浪传播方向和船长方向存在一定的夹角时，双体船会产生扭转，片体将承受波浪扭矩的作用。因此，连接桥结构的强度是双体船横向强度中最重要的内容。由此可见，连接桥在双体船的总强度中起着十分重要的作用，有必要对其结构进行强度分析。 　　2 建立有限元模型 　　2.1 双体船船体参数 　　2.2 双体船有限元模型 　　由于本次计算主要是对双体船的连接桥强度进行计算分析，故计算模型应包含船体主甲板以下的所有主要构件： 　　（1）长度方向，包含从船尾至船首范围内的所有构件； 　　（2）宽度方向，包含从左片体左舷至右片体右舷范围内的所有构件； 　　（3）高度方向，包含从基线至主甲板范围内的所有构件。 　　对所建立的实体模型经过离散化处理形成有限元模型，进而对结构进行有限元计算。ANSYS提供了200多种单元可供用户选用。本次对船体结构的分析，所选用的单元类型主要有两种，即SHELL63（壳单元）和BEAM188（梁单元）。网格划分后得到有限元模型，如图2所示，其共含有节点56 976个，单元59 307个，其中SHELL63单元42 398个，BEAM188单元16 909个。 　　3 载荷计算及边界条件 　　3.1 双体船横向弯矩 　　此扭矩对于船体的作用，可以通过施加在片体上的垂向剪力来模拟。此剪力可以用均布线性载荷P来等效，如图5所示。当然也可以用其他合适的方法来等效。但无论采取哪一种方法，都应当使每一部分相同方向的剪力之合力分别作用于片体前后部分的中心处。本文采用在片体底部中纵桁上施加均布节点力的形式来模拟MP的作用。首先计算得到在片体中前部分和中后部分所需施加剪力的合力，其值为MP除以船长的一半。然后再求得每个节点所需施加节点力，其值为剪力合力值除以片体中前部或中后部需要施加节点的个数。 　　在此种工况下，可以在船中和船首部位主甲板上选取三个点施加边界条件。所选取的点如图6所示，每个点所施加的约束如表2所示。 　　4 有限元分析 　　4.1 横向弯曲工况 　　4.2 扭转工况 　　在不同步纵摇扭矩的作用下，计算结果见图9、图10。此时，连接桥和片体总体出现了反对称扭转变形。整个连接桥结构尾部的应力明显大于首部，此时主甲板上的整体应力水平比横向弯曲工况时要大，但分布规律基本相同。在18号肋位处升高甲板出现最大应力，为10.7 Mpa；在主甲板的舱口处出现了明显的应力集中现象，最大应力为18.1 Mpa。 　　从整体上看，连接桥底板靠近首尾区域的应力较大，而船中部分应力相对较小，尤其在船尾底板与片体相接处出现了最大应力为22.1 Mpa。 　　5 结 论 　　（1）双体船整个主甲板结构横向是连续的，即连接桥甲板与片体甲板是相连接在一起，不存在结构上的突变；连接桥底板是一个横向间断的结构，它只存在于两个片体内舷之间，结构上存在突变。因此从总体上看，甲板的受力状态要好于底板。 　　（2）在两种工况下，连接桥是最主要的受力结构，所以最大应力均发生在连接桥上。应力分布存在相似的规律：在主甲板上，存在横舱壁的肋位处，甲板会出现加比较大的应力；在连接桥底板上，每个肋位处和片体相连接部位会出现应力集中，在有横舱壁肋位处，应力集中会加剧；在靠近船体首尾区域的连接桥，因为结构上的间断，可能会出现较大应力。 　　（3）对于本船来说，18号肋位靠近船首且存在着横舱壁，并且在此处主甲板突然升高，这些原因都导致该处的受力恶化，在该处的主甲板及连接桥底板存在比较大的应力；15号肋位也存在着横舱壁，且在此处连接桥的底板在纵向上产生了变化，造成应力集中；船首部位片体左右两舷外板与连接桥底板三者相交处，结构比较尖锐，也存在一定的应力集中现象。 　　参考文献 　　[1] 王杰德，杨永谦.船体强度与结构设计[M]. 北京： 国防工业出版社， 1995. 　　[2] 武会强. 120客位穿浪水翼艇总强度分析[D]. 大连： 大连海事大学轮机工程学院， 2005. 　　[3] 鄢慧敏. 双体采砂船结构强度计算研究[D]. 武汉：武汉理工大学交通学院， 2009. 　　[4] 吴荻. 双体船船体结构强度的直接计算法[D]. 武汉： 武汉理工大学交通学院，2004. 　　[5] 王发祥. 双体船抗扭箱节点选型试验研究及计算 分析[J]. 中国造船， 1991， （3）： 67-75. 　　[6] 王波.浅谈双体起重船的结构设计[J]. 船舶设计通讯， 2003， （2）： 27-29.