m型高速槽道滑行艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、<p>　　M型高速槽道滑行艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)U662.2、文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A </p><p>　　摘要：M型高速槽道滑行艇是一種新型高性能船舶，具有優(yōu)越的水動(dòng)力性能和良好的應(yīng)用前景，雙M型高速槽道滑行艇“短劍”號(hào)被Time雜志評(píng)為2006年度世界最優(yōu)秀發(fā)明。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)M型高速槽道滑行艇的研究工作仍處于起步階段，研究設(shè)計(jì)資料較為缺乏，因此對(duì)其開(kāi)展相關(guān)設(shè)計(jì)研究

2、有很好的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際價(jià)值。本文依據(jù)DNV船級(jí)社規(guī)范完成了M型高速槽道滑行艇的規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并應(yīng)用有限元軟件ANSYS對(duì)機(jī)艙段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了校核，完成了機(jī)艙段結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，對(duì)今后的研究工作具有一定的參考價(jià)值。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：M型高速槽道滑行艇；規(guī)范設(shè)計(jì)；有限元分析 </p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：S611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p><p

3、>　　[]M型高速槽道滑行艇是一種新型高性能船舶，在快速性、耐波性、穩(wěn)性等水動(dòng)力性能方面擁有優(yōu)越表現(xiàn)，此外由于其航行尾跡小、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，其在隱身性方面也有不俗的表現(xiàn)。目前M型高速槽道滑行艇的研究工作主要集中在美國(guó)圣迭戈M船舶公司，國(guó)內(nèi)的研究仍處于起步階段，因此對(duì)其進(jìn)行一定的研究有很好的實(shí)際意義和價(jià)值。 </p><p><b>　　1概述 </b></p><p&

4、gt;　　在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前作者已完成滑行艇初步設(shè)計(jì)工作，主要包括主尺度確定、模型建立、型線繪制、材料選擇、主機(jī)選型等工作，現(xiàn)將與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)部分簡(jiǎn)述如下。 </p><p>　　滑行艇主尺度等基本信息參見(jiàn)表1。 </p><p>　　利用Solidworks軟件建模，如圖1所示。 </p><p>　　表1 滑行艇主尺度 </p><p>&

5、lt;b>　　圖1 滑行艇模型 </b></p><p><b>　　2規(guī)范計(jì)算 </b></p><p>　　規(guī)范計(jì)算的過(guò)程是首先計(jì)算滑行艇所受載荷，包括砰擊載荷和海水壓力兩部分，將載荷代入板厚及骨材剖面模數(shù)計(jì)算公式中即可得到板厚與骨材的剖面模數(shù)，進(jìn)而得到骨材的尺寸。 </p><p>　　論文選用規(guī)范為DNV船級(jí)社《RUL

6、ES FOR CLASSIFICATION OF HIGH SPEED, LIGHT CRAFT AND NAVAL SURFACE CRAFT》（2012.4） </p><p>　　滑行艇航區(qū)為近海航區(qū)（航區(qū)限制因子R3），滑行艇材料采用玻璃鋼，玻璃鋼性能參數(shù)如下，密度，拉伸屈服應(yīng)力，壓縮屈服應(yīng)力，拉伸極限強(qiáng)度，壓縮極限強(qiáng)度，彈性模量。 </p><p>　　滑行艇結(jié)構(gòu)形式采用單板加筋

7、骨架形式，骨材布局采用橫骨架式，橫向骨材間距500mm，強(qiáng)框架間距2000mm，底部及槽道中在中縱剖面與1150mm縱剖面處各設(shè)一道縱桁，甲板上縱桁布置與之相同，舷側(cè)在1600WL處設(shè)置一道縱桁。 </p><p><b>　　2.1載荷計(jì)算 </b></p><p>　　依據(jù)規(guī)范，砰擊載荷計(jì)算公式如下 </p><p><b>　　

8、（1） </b></p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　海水壓力載荷計(jì)算公式如下 </p><p>　　對(duì)于壓力點(diǎn)位于水線以下 </p><p>　　（3） 對(duì)于壓力點(diǎn)位于水線以上 </p><p><b>　?。?） </b><

9、/p><p>　　此外，規(guī)范對(duì)最小海水壓力有所要求。 </p><p><b>　　2.2板厚計(jì)算 </b></p><p>　　規(guī)范對(duì)板厚的計(jì)算是依據(jù)板撓曲因子和板彎曲應(yīng)力兩方面來(lái)進(jìn)行的，具體計(jì)算過(guò)程如下 </p><p>　　板撓曲因子，由可導(dǎo)出，進(jìn)而可求出 </p><p>　　板彎曲應(yīng)力，由可

10、導(dǎo)出，進(jìn)而可求出 </p><p>　　和為板厚計(jì)算結(jié)果，取其中的較大值作為板厚的規(guī)范計(jì)算結(jié)果。 </p><p><b>　　2.3骨材計(jì)算 </b></p><p>　　玻璃鋼滑行艇艇中，骨材形式通常選用T型材和帽型材，由于帽型材加工工藝簡(jiǎn)單且在力學(xué)性能上有一定優(yōu)勢(shì)，如今大多數(shù)玻璃鋼滑行艇采用的骨材形式都是帽型材，示意圖如下： </p

11、><p>　　圖2 帽型材示意圖 </p><p>　　可做適當(dāng)簡(jiǎn)化，示意圖如下，如此可通過(guò)a,b,h三個(gè)參數(shù)定義骨材尺寸，統(tǒng)一標(biāo)示為a*b*h的格式。 </p><p>　　圖3 帽型材簡(jiǎn)化圖 </p><p>　　依據(jù)規(guī)范SECTION 7 STIFFENERS,WEB FRAMES AND GIRDERS B201骨材的設(shè)計(jì)載荷應(yīng)按照下式確

12、定 </p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　根據(jù)規(guī)范B600要求，骨材剖面模數(shù)要求需滿足下式 </p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　式中許用應(yīng)力取為極限應(yīng)力的0.3，即 </p><p>　　2.4規(guī)范計(jì)算結(jié)果 <

13、;/p><p>　　表 2 規(guī)范計(jì)算結(jié)果 </p><p>　　3有限元校核靜力分析 </p><p>　　3.1有限元分析對(duì)象選擇 </p><p>　　論文通過(guò)ANSYS Workbench平臺(tái)的Static Structural模塊分析機(jī)艙在靜力載荷下的應(yīng)力及變形，以及Modal模塊對(duì)機(jī)艙平臺(tái)進(jìn)行了六階模態(tài)分析。 </p>&

14、lt;p>　　選擇機(jī)艙分段進(jìn)行分析的原因是機(jī)艙分段所受總水動(dòng)力載荷較大，包括海水靜載荷和底部及槽道的砰擊載荷，對(duì)其進(jìn)行靜力分析有現(xiàn)實(shí)意義，即若其強(qiáng)度滿足要求則滑行艇其它分段結(jié)構(gòu)同樣可以滿足強(qiáng)度要求。此外機(jī)艙同時(shí)承受波浪砰擊載荷與主機(jī)及其軸系振動(dòng)的作用，動(dòng)力學(xué)分析較為復(fù)雜，有必要單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，了解振型特點(diǎn)與共振頻率。 </p><p><b>　　3.2結(jié)果分析 </b><

15、/p><p>　　等價(jià)應(yīng)力（Equivalent Stress）校核結(jié)果如下圖 </p><p><b>　　圖4 等價(jià)應(yīng)力 </b></p><p>　　最大等價(jià)應(yīng)力為65.323MPa，而許用應(yīng)力，式中為材料拉伸極限強(qiáng)度或壓縮極限強(qiáng)度，本文所采用玻璃鋼的拉伸極限強(qiáng)度與壓縮極限強(qiáng)度均為300MPa。最大等價(jià)應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，機(jī)艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要

16、求。 </p><p>　　總變形（Total Deformation）校核結(jié)果如下圖所示 </p><p><b>　　圖5 總變形 </b></p><p>　　最大總變形為3.3444mm，相對(duì)于機(jī)艙分段4000mm*4600mm*3200mm的尺度，變形情況是理想的，最大變形為橫向變形，與機(jī)艙分段的寬度（即滑行艇型寬）比較，僅占0.07

17、2%的比例。 </p><p>　　4有限元校模態(tài)分析 </p><p>　　對(duì)機(jī)艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析是有現(xiàn)實(shí)意義的。一方面主機(jī)的振動(dòng)對(duì)機(jī)艙分段結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是一種外在激勵(lì)，如果激勵(lì)的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率接近則結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生較大的變形、振動(dòng)，甚至破壞，這是必須要避免的；另一方面，模態(tài)分析能夠提供機(jī)艙的振型，可以了解振動(dòng)時(shí)容易發(fā)生破壞的部位。 </p><p>　　一階模態(tài) 二階

18、模態(tài) </p><p>　　三階模態(tài) 四階模態(tài) </p><p>　　五階模態(tài) 六階模態(tài) </p><p>　　圖6 六階模態(tài)分析總變形 </p><p>　　表3 模態(tài)分析總變形（相對(duì)值） </p><p>　　從表中可知六階模態(tài)對(duì)應(yīng)的相對(duì)變形比較接近，一階模態(tài)的相對(duì)變形值較大。從圖中可直接觀察得到六階模態(tài)分析中機(jī)艙

19、段結(jié)構(gòu)變形情況，需要注意的是最大變形出現(xiàn)的位置。 </p><p>　　六階的固有頻率依次為53.836Hz、64.464Hz、75.335Hz、83.546Hz、86.223Hz、103.18Hz，這是主機(jī)振動(dòng)及其它外在激勵(lì)需要注意避開(kāi)的共振頻率。 </p><p><b>　　5結(jié)論 </b></p><p>　　依據(jù)DNV規(guī)范對(duì)M型高速槽

20、道滑行艇進(jìn)行了結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì)，得到一組合理可信的板厚及骨材尺寸計(jì)算結(jié)果。對(duì)機(jī)艙段結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果表明總載荷最大機(jī)艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足條件，變形較小，結(jié)果理想；模態(tài)分析給出了六階模態(tài)下的總變形情況，結(jié)果表明六階模態(tài)對(duì)應(yīng)的相對(duì)變形比較接近，一階模態(tài)的相對(duì)變形值較大，此外給出了六階模態(tài)的固有頻率，在選擇主機(jī)軸系等有外在激勵(lì)的時(shí)候應(yīng)注意避免軸系振動(dòng)頻率與這些固有頻率接近。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)

21、</b></p><p>　　[1]DNV船級(jí)社. RULES FOR CLASSIFICATION OF HIGH SPEED, LIGHT CRAFT AND NAVAL SURFACE CRAFT.2012.4 </p><p>　　[2] 浦廣益編著.ANSYS Workbench 12 基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解.中國(guó)水利水電出版社.2010：33頁(yè) </p>