氣墊船船底結(jié)構(gòu)抗擊擊響應(yīng)分析

氣墊船船底結(jié)構(gòu)抗擊擊響應(yīng)分析

0船底局部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及破壞機(jī)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(dāng)波浪沖擊船底時(shí)氣墊船將產(chǎn)生較大的垂向加速度、總縱彎矩,引發(fā)嚴(yán)重破壞。尤其當(dāng)今氣墊船技術(shù)的發(fā)展日漸加快,航速及性能不斷提高的同時(shí)砰擊造成的后果更加明顯。目前,大量國內(nèi)外船舶的損傷報(bào)告顯示,造成船底局部結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)過程中對(duì)于計(jì)算砰擊載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已成為一項(xiàng)安全審核標(biāo)準(zhǔn)。砰擊往往是船舶減速的主要原因,根據(jù)衡準(zhǔn)當(dāng)船舶經(jīng)過的100個(gè)波浪中,發(fā)生超過3次或以上砰擊時(shí),船長應(yīng)主動(dòng)減速避免發(fā)生局部結(jié)構(gòu)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(shí)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(duì)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(shè)計(jì)生產(chǎn)的全墊升式氣墊船作為母型船,該船底部采用了結(jié)構(gòu)較密的加筋板板格式結(jié)構(gòu),中國船級(jí)社在《內(nèi)河高速船入級(jí)與建造規(guī)范》(2002)及《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范》(2002)修改通報(bào)中均提出了密加筋的結(jié)構(gòu)形式。目前對(duì)于氣墊船,縱骨架式和密加筋式2種結(jié)構(gòu)在砰擊載荷作用下的瞬態(tài)響應(yīng)仍缺乏對(duì)比分析。1波浪沖擊力的測(cè)定根據(jù)Ochi提出的砰擊載荷為三角分布的對(duì)稱脈沖載荷理論,砰擊發(fā)生期間載荷由初始值0達(dá)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(xiàn)確定。首沖時(shí)波浪沖擊力為Pb=acgbΔ。其中:acgb首沖時(shí)船舶重心處垂向加速度,可按下式計(jì)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(jì)算acg=10.58m/s2;γx為計(jì)算系數(shù),γx=l1/ρx,經(jīng)計(jì)算γx=0.85;Δ為滿載排水量,Δ=2.47t。計(jì)算得首沖時(shí)波浪沖擊力Pb=27.3kN,最終得砰擊載荷隨時(shí)間變化如圖1所示。2船底結(jié)構(gòu)體系及有限元分析為保證這2種船底板結(jié)構(gòu)形式具有實(shí)用參考價(jià)值,確定結(jié)構(gòu)尺寸。密加筋式船底結(jié)構(gòu)尺寸如下:根據(jù)母型船底部結(jié)構(gòu)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(qiáng)縱骨,3道Z50×20×15×1.5肋骨,底部縱骨間距由兩側(cè)向中間對(duì)稱分布為110mm,140mm,155mm×3,180mm,肋骨間距500mm,船底板板厚為1.2mm?？v骨架式船底結(jié)構(gòu)尺寸如下:根據(jù)中國船級(jí)社《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范》(2005),經(jīng)計(jì)算確定全墊升式氣墊船構(gòu)件尺寸,11道Z70×25×25×2縱龍骨,2道Z400×25×2強(qiáng)縱骨,底部縱骨間距由兩側(cè)向中間對(duì)稱排列分布為110mm,140mm,155mm×3,180mm,船底板厚2.5mm。采用有限元計(jì)算軟件Patran分別對(duì)2種船底結(jié)構(gòu)進(jìn)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(gè)周期的瞬態(tài)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)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(biāo)為2種底板的重量、節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)及VonMises應(yīng)力。2.1縱骨架式船底結(jié)構(gòu)的重量比較結(jié)果密加筋式船底結(jié)構(gòu)經(jīng)計(jì)算總重量為33.91kg。縱骨架式船底結(jié)構(gòu)經(jīng)計(jì)算總重量為52.056kg。由重量比較結(jié)果可知,縱骨架式船底結(jié)構(gòu)相對(duì)密加筋式結(jié)構(gòu)重量增加53.51%。由此可見,對(duì)于全墊升式氣墊船這種對(duì)船體重量要求嚴(yán)格的高速特種船舶來說,母型船所采取的密加筋式船底結(jié)構(gòu)在重量方面是具有較大優(yōu)勢(shì)的。2.2結(jié)構(gòu)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(yīng)比較如圖4和圖5所示。由上圖對(duì)比及計(jì)算結(jié)果分析可知:1)密加筋結(jié)構(gòu)船底板的形變響應(yīng)幅值要比縱骨架式形變響應(yīng)幅值少15.25%。2)從位移響應(yīng)云圖對(duì)比中可知,密加筋結(jié)構(gòu)船底板最大形變面積遠(yuǎn)小于縱骨架結(jié)構(gòu)。3)密加筋結(jié)構(gòu)船底板的位移響應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定,呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的分布趨勢(shì),而縱骨架結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)較不穩(wěn)定,變化幅度較大。從安全性與結(jié)構(gòu)變形破壞角度分析,母型船所采用的密加筋式船底結(jié)構(gòu)要優(yōu)于縱骨架式船底結(jié)構(gòu)。2.3密加筋式與船舶船底結(jié)構(gòu)應(yīng)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(yīng)力如圖8和圖9所示。由以上對(duì)比及計(jì)算結(jié)果分析可知:1)密加筋式船底板最大形變處VonMises應(yīng)力幅值要比縱骨架式VonMises應(yīng)力幅值小36.65%。2)通過云圖對(duì)比,密加筋式VonMises應(yīng)力分布較為穩(wěn)定,變化幅度小。而縱骨架式VonMises應(yīng)力變化幅度較大。顯然,密加筋式船底板的應(yīng)力分布及變化幅度有利于船底結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。綜合形變響應(yīng)結(jié)果和最大形變處VonMises應(yīng)力結(jié)果,分析原因在于:第一,在密加筋結(jié)構(gòu)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(qiáng)縱向構(gòu)件的剛度;第二,相對(duì)于縱骨架式結(jié)構(gòu),密加筋結(jié)構(gòu)具有船底橫向的構(gòu)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(jié)構(gòu)船底板應(yīng)力響應(yīng)對(duì)比1)在對(duì)比了密加筋式船底結(jié)構(gòu)和縱骨架式船底結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)重量后發(fā)現(xiàn),密加筋式結(jié)構(gòu)的重量顯著減輕,這一點(diǎn)對(duì)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(jié)構(gòu)船底板的最大形變處位移響應(yīng)與該處的VonMises應(yīng)力后發(fā)現(xiàn),密加筋式結(jié)構(gòu)不論在變形響應(yīng)還是在應(yīng)力響應(yīng)及應(yīng)力的分布與變化趨勢(shì)方面都要優(yōu)于縱骨架式結(jié)構(gòu)。3)對(duì)于氣墊船來說,密加筋結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)還在于,常規(guī)小型氣墊船均為鋁合金式薄外板,