氣墊船船底結構抗擊擊響應分析

氣墊船船底結構抗擊擊響應分析

0船底局部結構失穩(wěn)及破壞機制在高速駕駛過程中，船首底部有大量的水和波浪，船首底部有重大的損壞。當波浪沖擊船底時氣墊船將產(chǎn)生較大的垂向加速度、總縱彎矩,引發(fā)嚴重破壞。尤其當今氣墊船技術的發(fā)展日漸加快,航速及性能不斷提高的同時砰擊造成的后果更加明顯。目前,大量國內外船舶的損傷報告顯示,造成船底局部結構失穩(wěn)及破壞的主要原因之一即為船體與水面及波浪上浪的砰擊載荷。所以,在氣墊船的設計過程中對于計算砰擊載荷下的結構強度已成為一項安全審核標準。砰擊往往是船舶減速的主要原因,根據(jù)衡準當船舶經(jīng)過的100個波浪中,發(fā)生超過3次或以上砰擊時,船長應主動減速避免發(fā)生局部結構屈曲甚至破壞。瞬態(tài)載荷的產(chǎn)生通常來自于船舶在高速航行狀態(tài)時底部及水線以下的出水部分與水面發(fā)生的碰撞,這種現(xiàn)象對于氣墊船等具有較平坦底部的特種船舶效果尤其明顯。本文將俄羅斯設計生產(chǎn)的全墊升式氣墊船作為母型船,該船底部采用了結構較密的加筋板板格式結構,中國船級社在《內河高速船入級與建造規(guī)范》(2002)及《海上高速船入級與建造規(guī)范》(2002)修改通報中均提出了密加筋的結構形式。目前對于氣墊船,縱骨架式和密加筋式2種結構在砰擊載荷作用下的瞬態(tài)響應仍缺乏對比分析。1波浪沖擊力的測定根據(jù)Ochi提出的砰擊載荷為三角分布的對稱脈沖載荷理論,砰擊發(fā)生期間載荷由初始值0達到峰值最后回到0。全墊升式氣墊船首沖狀態(tài)下波浪沖擊載荷的確定根據(jù)文獻確定。首沖時波浪沖擊力為Pb=acgbΔ。其中:acgb首沖時船舶重心處垂向加速度,可按下式計算:acgb=1.5(1+γ2x)23×acgacgb=1.5(1+γx2)23×acg。式中:acg為重心處垂向加速度,經(jīng)計算acg=10.58m/s2;γx為計算系數(shù),γx=l1/ρx,經(jīng)計算γx=0.85;Δ為滿載排水量,Δ=2.47t。計算得首沖時波浪沖擊力Pb=27.3kN,最終得砰擊載荷隨時間變化如圖1所示。2船底結構體系及有限元分析為保證這2種船底板結構形式具有實用參考價值,確定結構尺寸。密加筋式船底結構尺寸如下:根據(jù)母型船底部結構資料,材料采用鋁鎂合金,11道Z70×25×18×2船底縱骨,2道Z400×25×1強縱骨,3道Z50×20×15×1.5肋骨,底部縱骨間距由兩側向中間對稱分布為110mm,140mm,155mm×3,180mm,肋骨間距500mm,船底板板厚為1.2mm。縱骨架式船底結構尺寸如下:根據(jù)中國船級社《海上高速船入級與建造規(guī)范》(2005),經(jīng)計算確定全墊升式氣墊船構件尺寸,11道Z70×25×25×2縱龍骨,2道Z400×25×2強縱骨,底部縱骨間距由兩側向中間對稱排列分布為110mm,140mm,155mm×3,180mm,船底板厚2.5mm。采用有限元計算軟件Patran分別對2種船底結構進行三維建模、劃分有限元網(wǎng)格如圖2和圖3所示。邊界條件為在龍骨與肋骨端部取簡支約束,取4個周期的瞬態(tài)動力響應進行分析。首沖砰擊載荷為分布在船底板的面載形式。本文的分析目標為2種底板的重量、節(jié)點位移響應及VonMises應力。2.1縱骨架式船底結構的重量比較結果密加筋式船底結構經(jīng)計算總重量為33.91kg?？v骨架式船底結構經(jīng)計算總重量為52.056kg。由重量比較結果可知,縱骨架式船底結構相對密加筋式結構重量增加53.51%。由此可見,對于全墊升式氣墊船這種對船體重量要求嚴格的高速特種船舶來說,母型船所采取的密加筋式船底結構在重量方面是具有較大優(yōu)勢的。2.2結構船底板的變形分析在首沖載荷作用下船底板最大形變位移處的位移響應比較如圖4和圖5所示。由上圖對比及計算結果分析可知:1)密加筋結構船底板的形變響應幅值要比縱骨架式形變響應幅值少15.25%。2)從位移響應云圖對比中可知,密加筋結構船底板最大形變面積遠小于縱骨架結構。3)密加筋結構船底板的位移響應相對穩(wěn)定,呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的分布趨勢,而縱骨架結構位移響應較不穩(wěn)定,變化幅度較大。從安全性與結構變形破壞角度分析,母型船所采用的密加筋式船底結構要優(yōu)于縱骨架式船底結構。2.3密加筋式與船舶船底結構應力分析在首沖砰擊載荷作用下2種船底板最大位移處VonMises應力如圖8和圖9所示。由以上對比及計算結果分析可知:1)密加筋式船底板最大形變處VonMises應力幅值要比縱骨架式VonMises應力幅值小36.65%。2)通過云圖對比,密加筋式VonMises應力分布較為穩(wěn)定,變化幅度小。而縱骨架式VonMises應力變化幅度較大。顯然,密加筋式船底板的應力分布及變化幅度有利于船底結構的穩(wěn)定性。綜合形變響應結果和最大形變處VonMises應力結果,分析原因在于:第一,在密加筋結構中,橫向肋骨為縱骨提供了有利的彈性支撐,減小了縱向彎矩并增強縱向構件的剛度;第二,相對于縱骨架式結構,密加筋結構具有船底橫向的構件支撐作用,縮小了板格間跨距,使承受的載荷分布得更加均勻。3結構船底板應力響應對比1)在對比了密加筋式船底結構和縱骨架式船底結構的結構重量后發(fā)現(xiàn),密加筋式結構的重量顯著減輕,這一點對于氣墊船等高速船舶顯得尤為重要。2)在首沖砰擊載荷作用下,分別比較2種結構船底板的最大形變處位移響應與該處的VonMises應力后發(fā)現(xiàn),密加筋式結構不論在變形響應還是在應力響應及應力的分布與變化趨勢方面都要優(yōu)于縱骨架式結構。3)對于氣墊船來說,密加筋結構的優(yōu)勢還在于,常規(guī)小型氣墊船均為鋁合金式薄外板,