m型高速槽道滑行艇結構設計

1、<p>　　M型高速槽道滑行艇結構設計</p><p>　　中圖分類號U662.2、文獻標識碼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)越的水動力性能和良好的應用前景，雙M型高速槽道滑行艇“短劍”號被Time雜志評為2006年度世界最優(yōu)秀發(fā)明。目前，國內對M型高速槽道滑行艇的研究工作仍處于起步階段，研究設計資料較為缺乏，因此對其開展相關設計研究

2、有很好的現(xiàn)實意義和實際價值。本文依據(jù)DNV船級社規(guī)范完成了M型高速槽道滑行艇的規(guī)范結構設計，并應用有限元軟件ANSYS對機艙段的結構強度進行了校核，完成了機艙段結構的模態(tài)分析，對今后的研究工作具有一定的參考價值。 </p><p>　　關鍵詞：M型高速槽道滑行艇；規(guī)范設計；有限元分析 </p><p>　　中圖分類號：S611 文獻標識碼：A 文章編號： </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，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圣迭戈M船舶公司，國內的研究仍處于起步階段，因此對其進行一定的研究有很好的實際意義和價值。 </p><p><b>　　1概述 </b></p><p&

4、gt;　　在進行結構設計前作者已完成滑行艇初步設計工作，主要包括主尺度確定、模型建立、型線繪制、材料選擇、主機選型等工作，現(xiàn)將與結構設計有關部分簡述如下。 </p><p>　　滑行艇主尺度等基本信息參見表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)范計算 </b></p><p>　　規(guī)范計算的過程是首先計算滑行艇所受載荷，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)計算公式中即可得到板厚與骨材的剖面模數(shù)，進而得到骨材的尺寸。 </p><p>　　論文選用規(guī)范為DNV船級社《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，拉伸屈服應力，壓縮屈服應力，拉伸極限強度，壓縮極限強度，彈性模量。 </p><p>　　滑行艇結構形式采用單板加筋

7、骨架形式，骨材布局采用橫骨架式，橫向骨材間距500mm，強框架間距2000mm，底部及槽道中在中縱剖面與1150mm縱剖面處各設一道縱桁，甲板上縱桁布置與之相同，舷側在1600WL處設置一道縱桁。 </p><p><b>　　2.1載荷計算 </b></p><p>　　依據(jù)規(guī)范，砰擊載荷計算公式如下 </p><p><b>　　

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

9、/p><p>　　此外，規(guī)范對最小海水壓力有所要求。 </p><p><b>　　2.2板厚計算 </b></p><p>　　規(guī)范對板厚的計算是依據(jù)板撓曲因子和板彎曲應力兩方面來進行的，具體計算過程如下 </p><p>　　板撓曲因子，由可導出，進而可求出 </p><p>　　板彎曲應力，由可

10、導出，進而可求出 </p><p>　　和為板厚計算結果，取其中的較大值作為板厚的規(guī)范計算結果。 </p><p><b>　　2.3骨材計算 </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單且在力學性能上有一定優(yōu)勢，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>　　可做適當簡化，示意圖如下，如此可通過a,b,h三個參數(shù)定義骨材尺寸，統(tǒng)一標示為a*b*h的格式。 </p><p>　　圖3 帽型材簡化圖 </p><p>　　依據(jù)規(guī)范SECTION 7 STIFFENERS,WEB FRAMES AND GIRDERS B201骨材的設計載荷應按照下式確

12、定 </p><p><b>　　（5） </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>　　（6） </b></p><p>　　式中許用應力取為極限應力的0.3，即 </p><p>　　2.4規(guī)范計算結果 <

13、;/p><p>　　表 2 規(guī)范計算結果 </p><p>　　3有限元校核靜力分析 </p><p>　　3.1有限元分析對象選擇 </p><p>　　論文通過ANSYS Workbench平臺的Static Structural模塊分析機艙在靜力載荷下的應力及變形，以及Modal模塊對機艙平臺進行了六階模態(tài)分析。 </p>&

14、lt;p>　　選擇機艙分段進行分析的原因是機艙分段所受總水動力載荷較大，包括海水靜載荷和底部及槽道的砰擊載荷，對其進行靜力分析有現(xiàn)實意義，即若其強度滿足要求則滑行艇其它分段結構同樣可以滿足強度要求。此外機艙同時承受波浪砰擊載荷與主機及其軸系振動的作用，動力學分析較為復雜，有必要單獨對其進行模態(tài)分析，了解振型特點與共振頻率。 </p><p><b>　　3.2結果分析 </b><

15、/p><p>　　等價應力（Equivalent Stress）校核結果如下圖 </p><p><b>　　圖4 等價應力 </b></p><p>　　最大等價應力為65.323MPa，而許用應力，式中為材料拉伸極限強度或壓縮極限強度，本文所采用玻璃鋼的拉伸極限強度與壓縮極限強度均為300MPa。最大等價應力小于材料許用應力，機艙結構強度符合要

16、求。 </p><p>　　總變形（Total Deformation）校核結果如下圖所示 </p><p><b>　　圖5 總變形 </b></p><p>　　最大總變形為3.3444mm，相對于機艙分段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>　　對機艙結構進行模態(tài)分析是有現(xiàn)實意義的。一方面主機的振動對機艙分段結構來說是一種外在激勵，如果激勵的頻率與結構的固有頻率接近則結構會發(fā)生較大的變形、振動，甚至破壞，這是必須要避免的；另一方面，模態(tài)分析能夠提供機艙的振型，可以了解振動時容易發(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（相對值） </p><p>　　從表中可知六階模態(tài)對應的相對變形比較接近，一階模態(tài)的相對變形值較大。從圖中可直接觀察得到六階模態(tài)分析中機艙

19、段結構變形情況，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，這是主機振動及其它外在激勵需要注意避開的共振頻率。 </p><p><b>　　5結論 </b></p><p>　　依據(jù)DNV規(guī)范對M型高速槽

20、道滑行艇進行了結構規(guī)范設計，得到一組合理可信的板厚及骨材尺寸計算結果。對機艙段結構的有限元分析結果表明總載荷最大機艙段結構強度滿足條件，變形較小，結果理想；模態(tài)分析給出了六階模態(tài)下的總變形情況，結果表明六階模態(tài)對應的相對變形比較接近，一階模態(tài)的相對變形值較大，此外給出了六階模態(tài)的固有頻率，在選擇主機軸系等有外在激勵的時候應注意避免軸系振動頻率與這些固有頻率接近。 </p><p><b>　　參考文獻

21、</b></p><p>　　[1]DNV船級社. 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 基礎教程與實例詳解.中國水利水電出版社.2010：33頁 </p>