气垫船首冲砰击载荷作用下船底结构瞬态响应分析

0 引言

气垫船在高速航行过程中常会出现船首底部出水及上浪等情况，会在船首底部区域产生砰击现象。当波浪冲击船底时气垫船将产生较大的垂向加速度、总纵弯矩，引发严重破坏。尤其当今气垫船技术的发展日渐加快，航速及性能不断提高的同时砰击造成的后果更加明显。目前，大量国内外船舶的损伤报告显示，造成船底局部结构失稳及破坏的主要原因之一即为船体与水面及波浪上浪的砰击载荷。所以，在气垫船的设计过程中对于计算砰击载荷下的结构强度已成为一项安全审核标准［1］。砰击往往是船舶减速的主要原因，根据衡准［2］当船舶经过的100个波浪中，发生超过3次或以上砰击时，船长应主动减速避免发生局部结构屈曲甚至破坏。

瞬态载荷［3］的产生通常来自于船舶在高速航行状态时底部及水线以下的出水部分与水面发生的碰撞，这种现象对于气垫船等具有较平坦底部的特种船舶效果尤其明显。

本文将俄罗斯设计生产的全垫升式气垫船作为母型船，该船底部采用了结构较密的加筋板板格式结构，中国船级社在《内河高速船入级与建造规范》(2002)及《海上高速船入级与建造规范》(2002)修改通报中均提出了密加筋［4］的结构形式。目前对于气垫船，纵骨架式和密加筋式2种结构在砰击载荷作用下的瞬态响应仍缺乏对比分析。

1 砰击载荷的计算

根据Ochi［5］提出的砰击载荷为三角分布的对称脉冲载荷理论，砰击发生期间载荷由初始值0达到峰值最后回到 0［6］。

全垫升式气垫船首冲状态下波浪冲击载荷的确定根据文献 ［7］确定。

首冲时波浪冲击力为

其中:acgb首冲时船舶重心处垂向加速度，可按下式计算:

式中:acg为重心处垂向加速度，经计算acg=10.58 m/s2;γx为计算系数，γx=l1/ρx，经计算 γx=0.85;Δ 为满载排水量，Δ=2.47 t。

计算得首冲时波浪冲击力Pb=27.3 kN，最终得砰击载荷随时间变化如图1所示。

图1 砰击载荷(MPa)
Fig.1 Slamming load

2 气垫船船底结构在首冲砰击载荷下的瞬态动力响应分析

为保证这2种船底板结构形式具有实用参考价值，确定结构尺寸。

密加筋式船底结构尺寸如下:

根据母型船底部结构资料，材料采用铝镁合金，11道Z 70×25×18×2船底纵骨，2道Z 400×25×1强纵骨，3道Z 50×20×15×1.5肋骨，底部纵骨间距由两侧向中间对称分布为110 mm，140 mm，155 mm×3，180 mm，肋骨间距 500 mm，船底板板厚为1.2 mm。

纵骨架式船底结构尺寸如下:

根据中国船级社《海上高速船入级与建造规范》(2005)［7］，经计算确定全垫升式气垫船构件尺寸，11道Z 70×25×25×2纵龙骨，2道Z 400×25×2强纵骨，底部纵骨间距由两侧向中间对称排列分布为110 mm，140 mm，155 mm×3，180 mm，船底板厚2.5 mm。

采用有限元计算软件Patran分别对2种船底结构进行三维建模、划分有限元网格如图2和图3所示。边界条件为在龙骨与肋骨端部取简支约束，取4个周期的瞬态动力响应进行分析。首冲砰击载荷为分布在船底板的面载形式［8］。本文的分析目标为2种底板的重量、节点位移响应及Von Mises应力。

2.1 船底结构的重量比较

密加筋式船底结构经计算总重量为33.91 kg。纵骨架式船底结构经计算总重量为52.056 kg。由重量比较结果可知，纵骨架式船底结构相对密加筋式结构重量增加53.51%。由此可见，对于全垫升式气垫船这种对船体重量要求严格的高速特种船舶来说，母型船所采取的密加筋式船底结构在重量方面是具有较大优势的。

2.2 首冲砰击载荷下节点位移响应的比较

在首冲载荷作用下船底板最大形变位移处的位移响应比较如图4和图5所示。

图7 纵骨架结构船底板形变位移响应云图
Fig.7 Longitudinal framing bottom plate displacement response cloud picture

由上图对比及计算结果分析可知:

1)密加筋结构船底板的形变响应幅值要比纵骨架式形变响应幅值少15.25%。

2)从位移响应云图对比中可知，密加筋结构船底板最大形变面积远小于纵骨架结构。

3)密加筋结构船底板的位移响应相对稳定，呈现稳态的分布趋势，而纵骨架结构位移响应较不稳定，变化幅度较大。

从安全性与结构变形破坏角度分析，母型船所采用的密加筋式船底结构要优于纵骨架式船底结构。

2.3 船底板的最大位移处Von Mises应力比较

在首冲砰击载荷作用下2种船底板最大位移处Von Mises应力如图8和图9所示。

由以上对比及计算结果分析可知:

1)密加筋式船底板最大形变处Von Mises应力幅值要比纵骨架式Von Mises应力幅值小36.65%。

2)通过云图对比，密加筋式Von Mises应力分布较为稳定，变化幅度小。而纵骨架式Von Mises应力变化幅度较大。

显然，密加筋式船底板的应力分布及变化幅度有利于船底结构的稳定性。

综合形变响应结果和最大形变处Von Mises应力结果，分析原因在于:第一，在密加筋结构中，横向肋骨为纵骨提供了有利的弹性支撑，减小了纵向弯矩并增强纵向构件的刚度;第二，相对于纵骨架式结构，密加筋结构具有船底横向的构件支撑作用，缩小了板格间跨距，使承受的载荷分布得更加均匀。

3 结语

1)在对比了密加筋式船底结构和纵骨架式船底结构的结构重量后发现，密加筋式结构的重量显著减轻，这一点对于气垫船等高速船舶显得尤为重要。

2)在首冲砰击载荷作用下，分别比较2种结构船底板的最大形变处位移响应与该处的Von Mises应力后发现，密加筋式结构不论在变形响应还是在应力响应及应力的分布与变化趋势方面都要优于纵骨架式结构。

3)对于气垫船来说，密加筋结构的优势还在于，常规小型气垫船均为铝合金式薄外板，而密加筋结构缩小了板格间距，相对于纵骨架结构能减小建造与装配过程中引起的变形。

4)综合以上结论可知，在首冲砰击载荷作用下，母型船所采用的密加筋式船底结构要比纵骨架式结构更具有抗砰击变形能力，并能够大大减轻气垫船自身重量，提高气垫船结构性能。