砰击载荷作用下气垫船船底结构瞬态响应分析

李建彰，任慧龙，刘 宁，汪 蔷，刘磊磊

(哈尔滨工程大学 船舶与海洋工程力学研究所,黑龙江 哈尔滨 150001)

砰击载荷作用下气垫船船底结构瞬态响应分析

李建彰，任慧龙，刘 宁，汪 蔷，刘磊磊

(哈尔滨工程大学 船舶与海洋工程力学研究所,黑龙江 哈尔滨 150001)

采用有限元计算软件MSC.Patran对某气垫船首部船底结构进行瞬态响应分析，对加筋板悬挂式结构及常规切口式船底结构分别建立有限元模型，计算2种船底结构在受波浪砰击载荷下的瞬态响应特征，从其局部强度和局部振动特性对比分析得到抗砰击效果较好的气垫船船底结构，为该型艇的结构设计提供参考。

气垫船；砰击载荷；悬挂式结构；切口式结构；瞬态响应

0 引 言

气垫船在恶劣海况下迎浪航行时，由于首部船底出水或上浪等原因，船首底部会受到剧烈的波浪砰击载荷作用，在砰击瞬时，底部受到巨大的冲击力，船体的垂向加速度会突然增加，并且紧接着出现高频振动[1]。严重的砰击，一方面使砰击区域承受巨大压力，局部结构发生破坏，另一方面将引起整个船体剧烈的颤振，产生较大的振动弯矩，当与低频波浪弯矩叠加，可能导致船舶总纵强度丧失。随着气垫船航速的不断提高，因底部砰击而造成的局部或者整体结构破坏的事例越来越多，该问题更加突出，因此在气垫船结构设计中应该考虑到船底结构在砰击载荷作用下的动力响应特征，校核船舶结构在砰击载荷作用下的强度成为船舶设计安全标准之一[2]。

目前国内气垫船的建造技术逐渐成熟，在气垫船的建造过程中为了减轻艇体重量，提高建造效率，减小焊接变形，对大型气垫船内部结构采用加筋板悬挂式结构。中国船级社在《海上高速船入级与建造规范》(2005)也提出了加筋板结构形式[3]。但是在气垫船高速航行状态下，加筋板悬挂式船底与常规纵骨架切口式船底结构的抗冲击性能缺少对比，对气垫船船首底部结构形式缺乏参考指导。砰击载荷是一种瞬态载荷，其特点是强度较大，但作用时间较短，因此船底板结构在砰击载荷作用下的响应是瞬态动力响应[4]。本文采用通用有限元软件MSC.Natran分别对加筋板悬挂式结构与常规纵骨架切口式结构在这种瞬态载荷作用下进行瞬态响应分析，比较分析2种结构在瞬态载荷下的瞬态响应特征，选择一种抗砰击效果较好的气垫船船底结构形式。

1 瞬态动力响应分析基本理论

瞬态响应分析求解的基本运动方程为

式中：[M]、 [B]、 [K]分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；{P(t)}为外载荷列阵；{u(t)}为位移矢量。

外力取3个临近时间点的平均值，得到运动方程如下：

合并同类项，运动方程写为

[A1]{un+1}=[A2]+[A3]{un}+[A4]{un-1}。

2 砰击载荷的计算

气垫船砰击载荷作用形式按照Ochi等提出的三角形脉冲载荷理论，在砰击周期内，砰击载荷由0达到最大值，然后由最大值回到0[5]，作用形式见图1。

根据《海上气垫船入级与建造规范》中给出的气垫船首冲波浪冲击压力的确定方法，计算得到波浪冲击压力

Pb=acgb×Δ，kN；

图1 砰击载荷/PaFig.1 Slamming load/Pa

3 船底结构的瞬态动力响应分析

悬挂式结构是指桁材搁置并焊接在整体壁板加强筋上，而没有直接与船体外板焊接；常规的切口式结构则是桁材直接与船体外板焊接[6]。

为了保证2种船底板结构形式具有实用参考价值，现以某气垫船为母型船来确定其结构尺寸。根据母型船底部结构资料，船底外板采用铝合金加筋板。所选切口式船底结构尺寸如下：首底部板材带有10道T40×40×4×5纵骨，3道T120×120×4×6横梁，纵骨间距为200mm，横梁间距为1 000mm，船底板厚为4mm。所选悬挂式船底结构尺寸如下：首底部板材带有10道T40×40×4×5纵骨，3道I105×40×4×6横梁，纵骨间距为200mm，横梁间距为1 000mm，船底板厚为4mm,且每隔1根纵骨设置连接件。

采用有限元软件MSC.Patran/Nastran分别对2种船底结构进行建模计算，如图2和图3所示。边界条件为四周刚性固定，取10个周期的瞬态动力响应进行分析。砰击载荷为分布在船底板的面载形式。本文的分析目标为2种船底板结构的局部强度与局部振动特性。

图2 切口式船底结构Fig.2 Regular open cut structure

图3 悬挂式船底结构Fig.3 Hanging structure

3.1 局部强度分析

3.1.1 板架板的最大位移处位移响应比较

在砰击载荷作用下的板架板的最大位移处位移响应如图4和图5所示，可以看出：① 切口式船底板架板的位移幅值要比悬挂式船底板架板的位移幅值小40%；② 切口式船底板架板的位移响应比悬挂式结构板架板的位移响应相对稳定。

图4 切口式船底板架板位移幅值Fig.4 The plate displacement amplitude of regular open cut structure bottom plate grillage

图5 悬挂式船底板架板位移幅值Fig.5 The plate displacement amplitude of hanging structure bottom plate grillage

3.1.2 板架骨材的最大位移处位移响应比较

在砰击载荷作用下的板架骨材的最大位移处位移响应如图6和图7所示，可以看出：① 切口式船底板架骨材的位移幅值要比悬挂式船底板架骨材的位移幅值小50%；② 切口式船底板架骨材的位移响应比悬挂式结构板架骨材位移响应相对稳定。

图6 切口式船底板架骨材位移幅值Fig.6 The frame displacement amplitude of regular open cut structure bottom plate grillage

图7 悬挂式船底板架骨材位移幅值Fig.7 The frame displacement amplitude of hanging structure bottom plate grillage

3.1.3 板架板的最大位移处VonMises应力比较

在砰击载荷作用下板架板的最大位移处VonMises应力如图8和图9所示，可以看出：① 切口式船底板架板的最大位移处VonMises应力的幅值要比悬挂式船底板架要小19%；② 切口式船底板架板的最大位移处VonMises应力响应比较规律，呈稳态分布，而悬挂式船底板架的最大位移处VonMises应力响应变化比较大。

图8 切口式船底板板Von Mises应力幅值Fig.8 The plate Von Mises stresss amplitude of regular open cut structure bottom plate grillage

图9 悬挂式船底板板Von Mises应力幅值Fig.9 The plate von mises stresss amplitude of hanging structure bottom plate grillage

3.1.4 板架骨材的最大位移处VonMises应力比较

在砰击载荷作用下板架骨材的最大位移处VonMises应力如图10和图11所示，可以看出：① 切口式船底板架骨材的最大位移处VonMises应力的幅值要比悬挂式船底板架要小58.33%；② 切口式船底板架骨材最大位移处VonMises应力响应比较规律，呈稳态分布，而悬挂式船底板架的最大位移处VonMises应力响应变化比较大。

图10 切口式船底板骨材Von Mises应力幅值Fig.10 The frame Von Mises stresss amplitude of regular open cut structure bottom plate grillage

图11 悬挂式船底板骨材骨材Von Mises应力幅值Fig.11 The frame Von Mises stresss amplitude of hanging structure bottom plate grillage

3.2 局部振动特性分析

气垫船首底部结构在砰击载荷的激振力作用下，必然会产生不同程度的振动。当激振幅值过大或者激振幅值不算太大，但却激起局部结构共振，从而造成振动响应过大，产生有害振动，有害的局部振动，不仅会影响船上设备的正常工作，有时还会引起局部结构损伤[7]。所以在设计阶段应及时发现振动隐患，避免共振现象的产生，避免共振产生的关键是船底结构的固有频率与砰击载荷的频率不在一个相同或者相近的频率范围内。

本文通过有限元方法进行了悬挂式和切口式2种船底结构的模态计算，列出并比较了2种船底结构的一阶垂向振动、一阶扭转振动和二阶垂向振动的固有振型和频率，结果如图12和图13所示。

由计算可知，砰击载荷的周期为T=0.06 s，所以f=1/T=16.7 Hz。根据《船上振动控制指南》要求，当激振力频率和固有频率的比值γ越接近1时越容易发生共振现象，且一阶垂向振动为主要的振动相，所以由上述2种船底结构的固有频率可知，虽然2种结构的频率范围相差不大，但是切口式的船底结构较悬挂式船底结构更能有效防止共振现象的产生。

4 结 语

本文以典型气垫船船首结构为例，通过对悬挂式船首底部结构与切口式船首底部结构在局部强度与局部振动特性方面进行计算分析，对以后该型气垫船首底部结构设计提出以下建议：

1)在首冲状态下气垫船船首底部的中部区域是受砰击载荷严重的区域，切口式船底结构连接形式比较紧密，而在悬挂式船底结构中横梁腹板高度比较大，造成横梁面板应力较大，建议采用切口式船底结构来保证首部船底的结构强度；

2)在设备区域，为了更有效地防止共振对影响设备的正常工作，建议采用切口式结构。此外，在悬挂式结构中，桁材搁置并只焊接在整体壁板的加强筋上，在强振区域，桁材与加强筋的连接点应力集中系数被放大，因此在强振区建议采用切口式结构；

3)对局部强度要求不高的区域，为了建造方便，提高气垫船的建造效率，减小焊接变形，可以采用悬挂式结构；

4)从其局部强度方面分析可知，在受砰击载荷较为严重的区域，常规纵骨架切口式结构的抗砰击性能更好，对气垫船的总强度问题也有积极意义。

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[2] 张世联,王能扬,肖熙.砰击载荷作用下板结构动力响应的参数分析[J].上海交通大学学报,2011(4):562-564.

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Transient response analysis on bottom structure of the air cushion vehicle under slamming load

LI Jian-zhang,REN Hui-long,LIU Ning,WANG Qiang,LIU Lei-lei

(Institute of Naval Architecture and Ocean Engineering Mechanics,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

The transient response on bottom structure of the air cushion vehicle under slamming load is calculated in this paper to compare stiffened plate hanging structure with regular open cut structure separately founded and calculated by finite element software Patran. The better bottom structure of air cushion vehicle to resist slamming has been gained in the aspects of local strength and local vibration character, furthermore, the reference has been applied to the air cushion vehicle structure design.

air cushion vehicle;slamming load;hanging structure;regular open cut structure;transient response

2013-06-13；

2013-07-19

李建彰(1989-)，男，硕士研究生，主要从事全垫升气垫船结构强度评估研究。

U661.943

A

1672-7649(2014)03-0024-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.03.005