张 旭， 蒋学敏

(中国舰船研究设计中心， 湖北 武汉 430064)

0 引 言

小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin-Hull Ship, SWATH)具有耐波性优良、操纵性强、航向稳定性佳、甲板面积大等优点[1]，特别能适应要求全天候作业、具有稳定作业平台特性的特种舰船之需，因此SWATH自研发以来日益引起各造船强国的浓厚兴趣，得到快速发展和广泛应用[2]。

与常规的单体船不同，SWATH船体一般由2个分别为流线型的水下潜体、连接水下潜体与上船体之间的狭片状双支柱体和高出水面的上层船体3部分组成[3]。由于其结构形式的特殊性，在特定海况下其2个片体可能承受不同方向的波浪载荷(横向载荷)作用，这种作用在船舶与波浪谐摇时最大，且方向相反，从而对桥体产生很大的横向弯矩，使得连接桥和支柱结合处(拱腰)受到的应力较大，因此，横向载荷工况通常是SWATH最危险的载荷工况[4]。该型船舶结构受力情况复杂且较常规船形不同，结构尺寸选择和强度校核没有成熟的规范可参照成为SWATH结构设计的主要难点。另外，SWATH吃水对重量的变化较敏感。重量越大，吃水越深，横向载荷就越大，桥体底部受到的砰击就越严重，这些对于结构都非常不利。如何合理分布、优化控制结构重量既是SWATH的设计难点，也是关键技术之一。对全船开展有限元仿真分析，研究其结构强度并清晰地展示该型船舶的应力分布特性，进而有针对性地开展结构优化设计，在确保结构安全的基础上严格控制结构重量。

1 结构设计

结构设计的主要内容：在总体设计的基础上，通过合理的结构布置、构件尺寸选用、材料选用等手段解决船体的强度及刚度问题。SWATH独特的外形决定了其结构的横向强度和刚度较差，而其在波浪中最严重的外力方向又恰恰是横向的。因此，SWATH的结构设计应以船体的横向强度指标为主。现结合某1 000吨级SWATH实例介绍结构设计方案及要点：

(1) 主船体采用高强度钢，上层建筑采用普通钢。

(2) 采用横骨架式和较小的肋距(500 mm)，以保证该船的横向强度。

(3) 主甲板以下船体为保证总强度的主船体，特别是桥体结构，是承担横向弯矩和扭矩的强力结构，相应部位予以特别加强。主船体部分设有连接桥抗扭箱体，箱体内纵壁与片体内舷对齐，设置包括前后箱体端壁在内的数道主横舱壁，并尽量延伸到片体中，成为片体的横隔壁，每4档设置强框架，以保证主船体横向强度。

(4) 片体内设置湿甲板，采用双层结构以保证甲板的强度和刚度，提高桥体的剖面模数，增强横向强度及抗砰击能力。片体内包括前后桥端壁设数道水密舱壁，是片体承受横向强度的主要结构。每4档设置强框架，以避免水下部分的外力仅通过横舱壁传递到桥体而产生应力集中，并增加片体自身刚度，提高其横向承载能力及抗碰撞能力。

2 结构校核

由于SWATH结构设计无简化校核方法，因此采取有限元仿真方法校核其最危险工况即横向载荷工况下结构强度是否满足要求。

2.1 有限元模型

为了更真实地模拟目标SWATH在横向载荷作用下的结构响应，建立全船长度范围内的有限元模型进行计算，并基于对称原则在宽度方向上简化为半宽模型。

模型采用右手坐标系，即原点设于船尾纵中剖面基线处，x轴为沿船长方向指向船首方向为正，y轴为沿水平方向向左舷为正，z轴为垂向由原点向上为正。

根据结构的实际受力状态将各类构件用下列单元类型模拟：

(1) 板壳元：甲板、外板、纵舱壁、横舱壁，纵桁、横框架腹板及高度大于250 mm的扶强材腹板等。板单元大小纵向取肋距，横向及垂向取纵骨间距。形状尽量接近正方形，边长比不超过1∶3。在开孔或结构交接处采用少量三角形单元过渡。

(2) 梁元：板材上的纵横骨材、纵横舱壁上的扶强材、支柱及其他腹板高度小于250 mm的T型材等。梁单元的设置考虑其实际偏心情况。

(3) 杆单元：强框架上小的加强筋、纵桁及横框架面板，腹板高度大于250 mm的T型材的面板、肘板面板及其他板边缘的面板等。

根据所选材料，屈服极限分别为355 MPa及235 MPa，材料参数为E=2.01×1 011 Pa，μ=0.3，ρ=7 850 kg/m3。根据中国船级社《钢质海船入级规范》[5]第二篇第18章双体船附录1双体船结构强度直接计算第5.1节相关内容，许用应力如表1 所示。

表1 许用应力 N/mm2

有限元模型如图1所示。

2.2 边界条件

根据中国船级社《钢质海船入级规范》[5]及《小水线面双体船指南》[6]的要求，在船中对称面上取对称边界条件(y轴方向位移Ty=0、x轴方向转角Rx=0、z轴方向转角Rz=0)，在首尾端拱腰与纵中剖面交点处取自由支持边界条件(尾端点处x轴方向位移Tx=0、z轴方向位移Tz=0；首端点处z轴方向位移Tz=0)。

2.3 载 荷

为确定计算载荷，开展自航模型外载荷试验。试验工况有：0 kn/12 kn航速、4级/5级/7级海况、横浪/顺斜浪/尾斜浪/顶浪各种工况的组合。

根据试验结果，最大横向载荷发生在0 kn航速、横浪、5级海况下。根据耐波性理论，设计载荷取试验值有义值×1.86×2倍安全系数，即船体所承受的横向力为18 701 kN。通过与林吉如等[4]和SIKORA[7]的研究成果进行对比，此载荷量级合理，因此采用此载荷作为计算载荷开展仿真计算。

计算时以水压力的形式模拟最大横向载荷的状态，即用不同的水头高度施加外壳板内侧与外侧的水压力，使其横向总量与最大横向载荷相当，并且按其垂向总量换算结构的垂向加速度。经换算，内侧壳板水压力水头高度为5.00 m，外侧壳板水压力水头高度为8.70 m，载荷如表2所示。

表2 载荷列表

根据上述内容及表2计算可知：总的横向载荷(向内)为18 726 697 N(1 909 t)；等效重力加速度为4.130 171 6 g；此时外侧水压力合力作用点高度为2.900 m；内侧水压力合力作用点高度为1.667 m；总的横向力合力作用点高度为3.174 m。

2.4 计算结果

2.4.1 变形及应力结果

由仿真计算结果可知目标SWATH的最大位移为7.38 mm，出现在艉部舷侧板，如图2所示。

图2 变形云图

板单元最大应力发生在主横舱壁上支柱与拱腰交接处，横舱壁及强框架上板单元中面von Mises应力的分布情况如图3所示，其余部位板单元中面von Mises应力最大值如表3所示。

图3 板单元应力云图

表3 板单元应力分布 MPa

梁单元最大应力出现在强框架上，各部位梁单元最大应力值如表4所示。

表4 梁单元应力分布 MPa

杆单元最大应力出现在强框架上，各部位杆单元最大应力值如表5所示。

表5 杆单元应力分布 MPa

2.4.2 结果分析

由第2.4.1节结果可知：整船的最大合成应力为388.24 MPa，最大剪应力为168.69 MPa，出现在主横舱壁上；另外，强框架上的合成应力、剪应力亦超出许用应力标准，强框架上的梁单元及杆单元的合成应力均超出许用应力标准。

横舱壁上最大应力发生在支柱与拱腰连接的根部，也是全船应力最大的地方。横向强框架上最大应力也发生在支柱与拱腰连接的根部，均由支柱与拱腰连接部位的结构突变造成。另外，甲板1、甲板2 及拱腰终止处以前的结构(下潜体、支柱及内外侧壳板)成为横向弯曲的悬臂结构，悬臂结构的根部应力较大。

船底(拱腰及支柱内侧板)上最大应力发生在其与横舱壁、横向强框架交接处，尤其靠近首尾端部位。这些局部高应力是由横舱壁、横向强框架构件上较大的应力引起的。相对而言，这些局部部位上，与横舱壁的交接处，应力比与横向强框架交接处的应力更大，这是由于横舱壁比横向强框架结构强一些。

甲板上最大应力发生在与横舱壁、横向强框架交接处，尤其靠近首尾端部位，这是由横舱壁、横向强框架构件上较大的应力引起的。另外，上层建筑结构虽然板厚相对较小，但仍然提供足够大的横向刚度，因此在上层建筑前端、后端和侧壁处均有应力集中现象。

纵舱壁作为内部纵向构件，不直接承受横向载荷，因此除箱体侧壁外的各处纵舱壁上的应力均较小。

外壳板(包括支柱外侧板)直接承受波浪载荷作用，并通过横向构件将载荷向外传递，因此在其上面的最大应力发生在与横舱壁交接处。

1号平台作为支柱内的纵横向连续构件，是支柱区域主要的承力构件，且1号平台的高度布置在支柱与拱腰连接邻近部位，因此在其上面的应力较大。2号平台及3号平台位于下潜体区域，且根据布置特点，结构在局部区域间断，不作为主要承力构件，因此在其上面的应力较小。

下潜体位于底部，受力相对较小，且外形光顺，因此，下潜体板、下潜体中的肋骨、水平桁及垂直桁等构件应力水平均较低。

综上可知，在横向载荷作用下，SWATH高应力区主要分布在拱腰与支柱相交处的外侧壳板、内侧壳板、横舱壁、横框架及甲板上，这些位置均为SWATH特殊外形特点造成的结构突变区域，而其内部平台、纵舱壁上的应力水平均较低。根据上述SWATH结构及应力分布特点，即可有针对性地对SWATH进行结构优化设计。

3 结构优化设计

3.1 优化方案

结合第2.4节计算及分析可得出SWATH的结构设计及优化思路：设计时应考虑拱腰与支柱相交处突变部位的光顺过渡，并应着重对拱腰与支柱相交处的外侧壳板、内侧壳板、横舱壁、横框架及甲板予以加强，以保证结构强度；甲板及拱腰终止部位端部形成悬臂结构，受力较大，因此对于悬臂根部也应进行局部加强；对于高度位于支柱与拱腰连接部位附近的主要连续承力平台，可通过增加平台板面积及增加板厚等措施予以加强；对于上层建筑前端、后端、侧壁部位的甲板结构，亦应通过增加板厚或在对应位置设计甲板构件等方法缓解应力集中；对于受力较小的部位，如除箱体侧壁外的各处纵舱壁及2号平台板等，可在满足强度要求的基础上酌情进行重量优化。

针对目标SWATH实例采取如下优化设计：在首尾端每两档肋位的2号平台与甲板2之间增加“半”强框架；所有强框架在2号平台与甲板2之间的腹板加厚，减小1号平台与甲板2 之间减轻孔的面积，并且加大开孔面板的尺寸；所有主横舱壁在甲板 2以下部分的板材加厚，尤其是支柱与拱腰(内侧)及舷侧(外侧)交接的根部；甲板1在与上层建筑交接的局部(首尾端、侧壁部位)的板材加厚；1号平台板材加厚，并减少开孔；对除箱体侧壁外的各处纵舱壁及2号平台板材进行重量优化。

3.2 校核结果

3.2.1 变形及应力结果

经计算，目标SWATH的最大位移为 6.84 mm，出现在艉部舷侧板，如图4所示。与原方案计算结果相比，最大位移发生的位置基本没有变化，但数值减小，可见优化后结构的刚度有较大的提高。

图4 优化设计后变形云图

优化设计后，板单元最大应力发生在主横舱壁上支柱与拱腰交接处。图5展示了横舱壁及强框架上板单元中面von Mises应力的分布情况，各部位板单元中面von Mises应力最大值如表6所示。

图5 优化设计后板单元应力云图

表6 优化设计后板单元应力 MPa

优化设计后，梁单元最大应力出现在强框架上，各部位梁单元最大应力值如表7所示。

表7 优化设计后梁单元应力 MPa

优化设计后，杆单元最大应力出现在强框架上，各部位杆单元最大应力值如表8所示。

表8 优化设计后杆单元应力 MPa

3.4.2 结构强度分析

通过优化设计前后的计算结果分析可知：优化设计后，结构中最大合成应力及剪应力仍位于横舱壁上，合成应力最大值降到237.00 MPa，剪应力最大值降到121.03 MPa，均已满足许用应力指标要求；另外，优化后强框架上最大合成应力及剪应力也有较大降幅，分别为202.38 MPa及108.77 MPa，能够满足许用应力指标要求；强框架上的梁单元及杆单元的合成应力均大幅下降，分别为169.40 MPa及124.90 MPa，能够满足许用应力标准；纵舱壁及平台经过优化后，应力水平略有提高，但仍能够满足许用应力指标。

由此可见，通过优化设计所有构件均能满足许用应力指标要求，且整体应力分布更为均匀合理，同时达到重量控制的目的。

4 结 语

采用有限元分析方法，研究SWATH在横向载荷作用下的结构强度，并清晰地展示结构上的应力分布特点。提供适用于SWATH的有限元建模方法及准则、载荷转化及施加方法、约束方法等内容，对同类船舶的校核工作具有较好的指导意义。

通过研究可知，SWATH在横向载荷作用下，应力水平通常很高，且各区域应力分布差异悬殊。在此研究基础上，可有针对性地选取结构布局、构件尺寸等优化设计方案，如：对已设计船舶可进行局部结构优化，加强薄弱部位，提升整体承载能力；对新设计船舶可在设计初期就选用优化方案，如采取双平台、箱体结构等形式提高局部强度及刚度；对于结构突变的支柱与拱腰交接等部位，采取大圆弧连接、平缓过渡、减少局部应力集中等方法，使结构更好地适应复杂的波浪环境，在确保结构安全的基础上达到严格控制结构重量的目的。