彭营豪 肖海松 罗 凯

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）



尾滑道式小艇收放载荷与加强结构分析

彭营豪 肖海松 罗 凯

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

［摘 要］某型海警船采用的滑道式收放小艇装置，可以使工作艇快速冲上母船或脱离母船，实现小艇安全快捷地收放。文中采用动力学方法，对小艇上滑道过程的载荷进行数值模拟计算，并进行了尾滑道加强结构的强度计算分析。模型计算与实船试验表明，该船的结构加强设计满足相关要求，为相似的滑道式收放系统结构设计提供一定的参考。

［关键词］尾滑道；计算模型；载荷；强度分析

肖海松（1984-），男，工程师，研究方向：船舶与海洋结构总体设计。

罗 凯（1980-），男，高级工程师，研究方向：船舶与海洋结构强度研究、结构设计。

引 言

某型海警船在执行任务时，快速、安全、有效地实现执法工作艇的需要，在其尾部设置滑道式收放装置，以便于两艘执法工作艇的收放［1］。执法工作艇在进入母船、接触母船以及离开母船过程中所产生的动载荷，将会直接作用于滑道及其船体加强结构，特别当工作艇通过滑道直接冲击滑行到位的方式回收，在该过程中工作艇与滑道产生瞬间接触力，此时滑道上会出现数倍于工作艇质量的载荷，对船体结构安全造成威胁［2］。

目前船级社等尚未规定关于小艇沿滑道上船的相关计算过程和规范，经过与船级社协商，在结构设计中采用瞬态动力学方法，对小艇上滑道过程的载荷与结构响应进行数值模拟，进而进行结构强度计算分析［3］。通过本型船尾滑道及其结构加强的载荷计算与强度分析，对相似的滑道式收放系统的结构设计具有一定的参考价值。

1　小艇上船过程载荷分析

下面给出小艇上船过程中动力分析过程所需的方法及计算所需条件。

1.1计算方法及流程

采用非线性瞬态动力学方法，利用Dytran有限元程序，建立母船滑道下结构有限元模型。采用流固耦合法将小艇周围的水划分成一定数量的欧拉有限元，用有限体积法进行计算，并采用流体结构耦合算法解决水与小艇之间的相互作用。

目前主要关注母船在船载小艇冲击载荷下的结构强度问题，为简化计算、提高计算效率，假设船载小艇为刚体，初始阶段给小艇相对初始速度，使其冲上船尾部滑道；采用流固耦合方法计算小艇在浮力、重力以及碰撞力作用下的运动响应；最后结合计算所得载荷进行应力计算分析。

1.2计算工况

根据设计要求，分别对母船首倾4°、正浮、尾倾4°三种状态，小艇和母舰以6 kn、8 kn和12 kn三种相对速度上滑道过程进行了数值模拟计算。现以母船纵摇角为+ 4°、小艇与母船12 kn的相对速度上船的冲击载荷和响应进行计算为例，其他工况计算方法相同，具体计算结果见第3节。

1.3计算模型与边界条件

1.3.1计算模型

母船尾部滑道倾斜约11°，长约10 m，尾门长度约3 m。

图1　尾滑道模型示意图

上船过程中，小艇的重量重心以及转动惯量对碰撞力有很大的影响，在计算中考虑了小艇重量重心以及转动惯量的大小。小艇质量为6 500 kg，转动惯量Jx为923 kg·m2，Jy为9 375 kg·m2，Jz为8 454 kg·m2，建立的模型如图2 -图3所示。

图2　母船尾部模型

图3　母船纵摇+ 4°时与小艇的相对位置

小艇在上滑道过程中将脱离水面，采用附加质量模型并不能准确模拟这一过程，流固耦合数值仿真模型则考虑小艇上滑道过程中周围流体介质的影响，计算精度高于常用的附加质量模型。采用MSC.Dytran的一般耦合算法对小艇上滑道过程中的流固耦合现象进行模拟，小艇结构采用Lagrange模型来模拟，而流体介质则采用Euler模型模拟，通过定义在Lagrange模型上的耦合面建立Lagrange网格与Euler网格之间的相互作用力的传递。

图4　小艇、海水流固耦合模型

1.3.2弹塑性材料模型和失效准则

合理选择结构材料的本构关系是碰撞分析中的重要内容。简化的解析方法通常采用刚塑性材料模型。为更真实反映材料特性，本文采用线性强化弹塑性模型，其屈服应力σy由式（1）给出：

式中：σ0为材料屈服应力；弹性模量E取2.06× 1011N/m2；硬化模量Eh取1.18×109N/m2；泊松比μ取0.3。

船舶碰撞是一个动态响应过程，材料的动力特性影响不能忽略。由于船用低碳钢的塑性性能对应变率是高度敏感的，其屈服应力和拉伸强度极限随应变率的增加而增加，所以在材料模型中引入应变率敏感性的影响。材料应变率敏感性的本构方程有许多，这里采用与实验数据较好吻合的Cowper-Symonds本构方程：

材料的失效非常复杂，本文利用MSC.DYTRAN程序中给出的最大塑性应变失效准则，即当结构单元的等效塑性应变达到定义的单元最大塑性失效应变时单元失效，失效单元将不再参与计算，根据相关文献给出的建议值，本文最大塑性应变取为0.3。

1.3.3接触定义

接触问题的处理是船体结构碰撞计算中重要而困难的部分。碰撞过程中，接触边界是不断变化的，计算中必须对接触边界持续搜寻。本文采用主从面接触算法，主从接触面包括主面和从面，分别定义在尾滑道和小艇上，碰撞开始前两者是相互分开的。

图5　从接触面

1.3.4静水载荷与边界条件

小艇上船过程模拟的计算时间在0～4 s之间，在此过程中小艇的冲击对母船的整体运动来说影响较小，可以认为对于母船来说整个碰撞过程中船体本身没有运动位移，只需对母船施加静水压力和重力。同时将母船有限元模型的较远端部处理为刚性固定的边界条件。施加的边界条件、载荷以及小艇的初始速度如图6 -图8所示。

图6　模型端部刚性固定

图7　施加重力和静水压力载荷

图8　小艇初始速度

2　接触载荷与强度计算

为准确模拟小艇上船这一复杂过程，按照上述分析过程进行了瞬态动力学分析，并给出小艇与母船接触力曲线、小艇的速度变化曲线和滑道下加强结构的等效应力等结果。

以母船纵摇角为+ 4°、小艇与母船12 kn的相对速度上船的冲击载荷和响应进行计算为例，其他工况计算方法相同，具体计算结果见第3节。

2.1小艇上冲过程载荷分析

小艇上冲过程中接触力的大小直接影响两者的相互作用程度，反映了小艇上滑道过程中的动载荷，是影响母船尾部结构的重要因素。

2.1.1接触力曲线与速度曲线

下面给出母船纵摇角为+ 4°、小艇与母船12 kn相对速度时的接触力曲线和速度变化曲线。

图9　接触力曲线

图10　小艇接触点垂向速度曲线（m/s）

结合接触力曲线和小艇的垂向速度曲线可以看出，小艇在与滑道接触后会受到接触力、重力的共同作用。小艇在接触力的作用下会离开滑道，然后在重力作用下会再次回到滑道上，如此反复直至停止，上述现象在接触力曲线和小艇垂向速度曲线上清晰可见。

图11　小艇纵向速度曲线（m/s）

图12　小艇停止位置示意图

从小艇的纵向速度曲线可见，小艇速度逐渐减小直到停止，实际操作中小艇会在挂钩的作用下停住。

2.1.2最大接触力及出现时刻

表1 为母船纵摇角为+ 4°时相对运动下的最大接触力及出现时刻。

表1　母船纵摇角为+4°时相对运动下的最大接触力

2.2船体尾部应力计算结果

瞬态接触力作用下的应力分析是一个动态分析过程，整个过程中将会输出大量的计算结果，本文仅给出整个接触过程中最大的等效应力。

2.2.1母船尾部结构整体应力分析

图13 -图15为小艇与母船12 kn相对速度时尾部结构出现最大应力时刻的等效应力云图。

图13　尾部整体最大应力云图

图14　尾滑道下甲板纵桁应力云图

图15　滑道结构应力云图

从加强结构的最大等效应力云图可见，在小艇上滑道过程中，最大应力出现在尾滑道上，船体应力较大的区域主要集中在滑道以及滑道下的板架，应力分布较为集中，而其余部位结构应力较小，所以下面给出甲板板架及滑道等结构的应力计算结果。

2.2.2应力衡准分析

目前对于动态应力计算规范没有给出相应的应力衡准，在评价应力是否满足时，参照GJB119-99抗冰强度、砰击强度等相关衡准［4］，以应力是否超过材料的0.9倍屈服应力作为结构是否满足强度要求的衡准，本船滑道下加强结构采用D36钢，屈服应力为355 MPa，许用应力取为320 MPa。

2.2.3应力计算结果分析

母船纵摇+ 4°时，12 kn相对上船速度下的应力计算结果如表2所示。

表2　母船纵摇+ 4°时，12 kn相对上船速度下的应力计算结果

根据计算结果可知，在该工况下，整个尾部最大应力为192 MPa，满足强度要求，该应力出现在122肋位的滑道上，该位置在整个接触过程中的应力时历曲线如图16所示。

图16　Fr122处滑道出现最大应力位置的应力时历曲线

3　多工况计算结果分析

3.1多工况计算结果汇总

根据设计要求，分别对母船首倾4°、正浮、尾倾4°三种状态，小艇和母舰以6 kn、8 kn和12 kn三种相对速度上滑道过程进行了数值模拟计算，结果汇总如表3、表4所示。

表3　最大接触力汇总

表4　不同结构部位等效应力计算结果　MPa

3.2计算结果分析

根据母船首倾4°、正浮、尾倾4°三种状态，船艇12 kn、8 kn、6 kn三种相对速度下小艇上滑道过程的数值模拟结果可知，各个工况下船体应力最大值122.0 MPa，滑道 242.0 MPa，满足相关的应力衡准要求。

根据计算结果分析，在结构设计过程中，滑道直接与小艇相冲击，载荷与应力较大，而主船体应力相对较小，在设计中，可以针对不同的结构部位采用不同等级的钢材，如主船体采用普通船用钢，而滑道及其周围结构局部采用D36钢。

本船设计工作通过了船级社审核，首制船已交付，图17为实船试航图片。

图17　实船试航

4　结 论

经过小艇通过尾滑道冲击上船的计算分析和实船试验验证，本型船设计满足相关要求，该计算流程也可为今后相似类型的设计和强度计算提供参考。

（1）通过载荷计算分析看出，滑道与小艇瞬间的接触载荷较大，最大约是小艇自重的4倍，使滑道和船体结构承受较大的瞬间接触载荷，进而导致局部加强结构的应力较大。

（2）通过对船体结构应力计算分析可知，各个工况下船体滑道及其加强结构均满足要求；在整个小艇上船过程中出现了242 MPa的应力，此时滑道及其加强结构需要采用高强度钢才能满足强度要求，其他区域应力较小，可以采用普通钢。

（3）小艇冲击上船受滑道斜度、小艇与母船相对速度、船体姿态和海况等多种因素影响，针对不同的设计方案和使用条件进行计算分析是十分必要的，本文的计算方法可供今后设计和计算参考，并供类似的尾滑道设计和规范入级借鉴。

（4）在设计初期阶段进行仿真计算分析较为费时费力，希望通过今后的相关研究，相关规范能够给出初步的简化计算方法，以方便初步方案设计和船舶入级。

［参考文献］

［1］ 刘辉，赵远征，严军. 艉滑道式小艇收放装置液压系统的设计与分析［J］. 中国舰船研究，2012（3）：68-73.

［2］ Rubin S，Peter V M，Thomas G B，etal. Stern boat deployment systems and operability ［C］. World Maritime Technology Conference，2013.

［3］ 中国船级社.海关缉私舰艇审图和检验指南［S］. 2012.

［4］ 国家军用标准.水面舰艇结构设计计算方法［S］. 1999：29-84.

Analysis of loads and strengthen structure of stern-slipway launch and recover system for jolly boat

PENG Ying-hao XIAO Hai-song LUO Kai
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract:A Patrol Ship of China Coast Guard is equipped with a stern-slipway launch and recover system which can make the working boat rush on and detach from the mother ship quickly for the secure and convenient recovery of the jolly boat. With the dynamics method, it carries out the numerical simulation of the loads during the boat rushes on the slipway and the strength analysis of the strengthened structure of the stern-slipway. The model calculation and full-scale ship trials indicate that the design adopted by strengthened structure of the ship meets the relevant requirements, which can provide references for the structure design of similar stern-slipway launch and recover systems.

Keywords:stern-slipway; calculation model; loads; strength analysis

［中图分类号］U661.43

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2016）02-0036-07

［收稿日期］2015-09-23 ；［修回日期］2015-10-28

［作者简介］彭营豪（1985-），男，工程师，研究方向：船舶与海洋结构强度研究、结构设计。