高速三体船结构设计

2013-09-27许蕴蕾

船舶 2013年6期

许蕴蕾

（海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室上海 200011）

0 引言

三体船是利用三个并排片体所制造的波浪干涉来实现减小兴波阻力的高性能船型。鉴于三体船具有独特的船体结构形式，其结构载荷及强度特点与单体船和双体船有所不同［1］。国内在强度评估和结构设计等方面的研究与国际上水动力方面的研究相比还有一定差距，为此，本文将对高速三体船的结构设计的方法进行一些探索。

1 高速三体船结构设计过程

1.1 高速三体船结构设计方法研究

船体结构设计的重点是在充分发挥材料作用的情况下，使用最小的结构质量，同时还要保证船体必须的稳定性和强度。结构设计通常是在已明确设计任务书且总图和线型图初步完成的前提下来决定结构构架形式、构件尺寸和连接方法的。对于特种船，非正常布置的创新船舶可以采用有限元直接计算法计算。对于军用舰艇，要求的设计水平高，结构质量控制严格，对结构设计的合理性更为突出。基于以上两点考虑，三体船的结构设计采用直接计算法［2］。

经过对已有船舶强度和疲劳评估方法的验证，可以认定将其用于三体船强度评估和疲劳评估具有可行性。设计过程为:通过有限元直接计算法，使用规范中的工况给全船模型施加载荷，计算相应工况下全船的应力分布，再以规范法校核关键部位的屈服、屈曲情况，评估疲劳寿命；再与规范中的相关标准进行比较，对结构进行修改和优化。为使全船应力分布合理，避免局部区域应力过于集中或最大应力小于规范值，经过“设计-校核-改进”的循环反复，在保证结构满足规范要求的前提下，力争结构最优化。

1.2 主体的典型剖面设计

在初步确定全船的结构形式并经过论证之后，采用有限元直接计算法设计主体典型剖面。具体思路是:首先，给定上甲板和外底板相当厚度的初始值δ0和δ1，乘以一定的比例系数，得到其余纵向连续构件的相当厚度；然后，根据甲板的许用应力计算剖面模数，得到δ0和δ1的值；再根据船底处合成应力的许用应力进行船体纵向连续构件的第二次设计计算，利用插值法得到最终的δ0和δ1以及中和轴高度；最后便求得典型剖面上其余构件的相当厚度。

扶强材的设计一方面要满足规范中关于扶强材尺寸和间距的要求，另一方面要保证板在承受最大载荷时的稳定性。从相当厚度扣除对应的扶强材厚度，便得到各部位的实际板厚。主体典型剖面的设计尺寸见图1。

图1 三体船典型剖面设计

1.3 主体和片体的型线连接

经水动力性能分析和线型优化，目前已成功获得三体船水下部分的型值［3-4］。出于结构考虑，采用连接桥结构将主体和片体部分连接。对已有的三体船主体、片体型线（5.33 m水线以下部分），向上延伸至湿甲板高度（12.936 m）；初步拟定主甲板和湿甲板的间距为2 m；再根据规范中的典型剖面和对美国军方建造的涉海战斗舰LCS Trimaran［5］的典型剖面形式的解读，初步拟定主体和片体的连接形式，并将主体和片体的型线连接，经插值产生新的型值点。型线图如图2所示。

图2 三体船型线

1.4 主体和片体的连接桥结构

三体船主体和片体的连接是通过连接桥来实现的。对于三体船而言，横向弯矩和纵向扭矩是重要载荷，因此，主体和片体的连接部位采用横骨架形式，舱壁贯穿主体和片体，在两道贯穿舱壁之间设置强框架，保证强度要求。连接处采用圆弧过渡舷台结构减少应力集中，并在连接桥靠近主体的一侧加入了箱型梁结构。连接形式如图3、图4所示。

图3 三体船主体、片体连接形式

图4 三体船连接桥形式

1.5 总纵强度校核和连接桥强度规范的校核

三体船由一个主体和两个对称的片体组成，其主体较一般船舶更为狭长，长宽比在12～18之间。因此，三体船结构设计是否可行，首先要看其总纵强度是否满足要求。三体船所受的纵向载荷由波浪弯矩和静水弯矩组成，在初步设计过程中，静水弯矩取为波浪弯矩的一半。同时，不考虑两侧的片体及连接桥部分对纵向抗弯强度的贡献。由于自身特殊的结构特点，连接桥结构是否能够满足强度要求也至关重要。

参照劳氏船级社三体船规范［6］，按照中拱和中垂两种情况计算出总纵波浪弯矩，分离弯矩和横向扭矩。在主尺度，舱壁数量，肋距等必要数据初步确定的情况下，对总纵强度进和连接桥强度进行了校核。在材料为普通钢（δyd=235 N/m2）的情况下，甲板、双层底处的应力水平小于规范给出的许用值，连接桥部分在采用高强钢（δyd=315 N/m2）以后，应力水平满足规范要求。