基于AQWA的某深海功能船结构强度分析

刘 旭，李 军

近年来，海洋石油的勘探技术取得了突飞猛进的发展，勘探工作已达到或超过3 000米水深的超深水区域。本文采用有限元分析软件ANSYS及水动力分析软件AQWA对某深海功能船在静水力及波浪弯矩作用下的强度进行初步估算。

1 船舶概况

本船为双螺旋桨、电力推进、航行工况为无限航区的肥大型平底船。主甲板之下为船首、尾及货物甲板区域。主甲板之上为首楼区域、船员居住区域（上层建筑一） 及施工人员居住区域（上层建筑二）。本船设有倾斜首柱、方尾，具有连续的主甲板。

船总长约144.00 m，垂线间长约131.46 m，型宽40.00 m，型深10.75 m，设计吃水5.50 m，结构吃水7.50 m，最大坐底作业水深9.50 m。

2 建立坐标系

总体坐标系以81号肋位的底部中点为坐标原点。X轴指向为船首方向，Y轴指向为左舷方向，Z轴指向为船舶吃水高度方向。坐标系示意图如图1所示。

图1 坐标系示意图

3 有限元模型分析

根据船舶结构图纸资料进行结构建模。船的甲板、舷侧、底部、舱壁等板装结构以及强横梁、强肋骨等桁材结构均采用板单元进行建模，各种骨材均采用梁单元进行建模。81号肋位的横舱壁结构及有限元模型的其他视图如图2、图3、图4、图5、图6所示。

图2 横舱壁模型图

图3 有限元模型局部视图

图4 有限元模型单舱段视图

图6 船尾放大图

模型建好后，按照图纸为各个板和线设定相应的属性。对板单元采用shell63单元进行网格划分，梁单元采用beam188单元进行划分。有限元模型的主体网格尺寸设定为1.4 m，结构较复杂的区域进行细化，如吊机搁架处。有限元模型共包括节点7.869万个，单元13.618万个。网格划分如图7所示。

图7 有限元模型网格划分示意图

4 载荷分析

对整个船体进行惯性释放。计算工况根据所提供的重量重心计算表。按照所给的数据对燃油舱和压载水舱进行加载。压载舱及燃油舱分布参考舱容图及总布置图，将每个舱中总的液体质量均布在舱底的节点上，即给舱底的节点赋予质量属性MASS21，在舱壁处按深度施加梯度载荷。

以自存工况为例进行分析。自存工况吃水6米时，不计及吊机作用。计算工况根据所提供的重量重心计算表，按照所给的数据对燃油舱和压载水舱进行加载。加载空船质量中轮机专业重量、外舾专业重量、内舾专业重量、管系专业重量及电气专业重量，不计及吊机作用。对整个船体同样赋予重量，及添加垂向的重力加速度g=9.8 m/s2。船体吃水6 m，波高8 m。采用AQWA-LINE软件计算单位波高下，不同频率、角度的波浪力，取迎浪时中拱和中垂两种情况，通过AQWA-WAVE衍射到船体模型上，如图8和图9所示。

图8 自存吃水6 m中垂时的波浪力载荷示意图

图9 自存吃水6 m中拱时的波浪力载荷示意图

风载荷和流载荷根据风载荷计算书和波流载荷计算书所给数据，如表1所示。

表1 风力和波流力统计表

根据迎浪时中拱和中垂两种工况，加载在相对应作用面的节点上，如图10和图11所示。

图10 自存吃水6 m迎浪时风载荷示意图

图11 自存吃水6 m迎浪时流载荷示意图

通常使用经验公式来计算作用在船上海流的力和力矩。在计算时，可以使用船在静水中估算船舶阻力的方法。Froude数 很小，以至于波浪阻力相对于黏性阻力可以完全被忽略。可用下述的近似公式计算：

式中β——流速和纵向x轴之间的夹角（x轴的正向为船尾方向）；

S——船的湿面积，且其中β取0度。

5 结果分析

由工况下分析可知，漂浮工况时，主体部分中垂波浪弯矩下的最大应力值约为172 Mpa，中拱波浪弯矩下的最大应力值约为211 Mpa，均成云状分布，船中处较大向两侧逐渐减小，应力分布均匀。因为中垂时，波浪力与首尾的压载舱的压力相抵消，因此应力较小。坐底工况时，主体部分的最大应力177 Mpa。自存工况、航行工况时，无吊机作业，最大应力值约为185 Mpa，各工况下的应力均小于许用应力，符合结构要求。在某些点由于结构及加载的原因，应力集中，但是也没有超过200 Mpa，远小于许用应力，符合强度规范。内部结构所承受的应力较小。纵骨最大应力为188 Mpa左右，出现在约束处，符合规范要求。有少数部位应力集中，不影响强度结果。

[1]胡毅,胡紫剑,刘元丹,等.基于AQWA的大型LNG船码头系泊分析[J].舰船科学技术,2012(2)：70-73+110.

[2]史琪琪,杨建民.半潜式平台运动及系泊系统特性研究[J].海洋工程,2010(4)：1-8.

[3]闫功伟,欧进萍.基于AQWA的张力腿平台动力响应分析[J].东南大学学报(自然科学版),2009(S2)：304-310.

[4]吴先彪,熊云峰,骆婉珍.钢制双体客船结构总强度有限元分析[J].舰船科学技术,2014(5)：31-35.

[5]冯坚,谷家扬.11.9m双体交通艇总强度有限元分析[J].江苏船舶,2010(3)：5-7+10+47.

[6]郑杰,谢伟,骆伟,等.穿浪双体船横向强度与扭转强度的有限元计算[J].中国舰船研究,2010(1)：14-18.