（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）多航态高速双体船的结构设计研究.pdf

中文摘要 多航态高速双体船是最新提出的一种概念型双体船舶，顾名思义，它拥有多 种航行姿态，包括：潜水航行态、滑行航态、垫升航态和普通排水航行态。多航 态高速双体船集合了多种船舶的特点，目前尚无在役实船，与以前所说的复合型 船舶比较类似，不过比复合型船具有更多的航态特点。 本文通过对多航态高速双体船的结构设计从概念设计开始，到完成比较合理 详细的初步设计，为这种新型的概念型船的结构设计给出了适合其本身特点的结 构型式。由于此前没有这种船舶的研究，所以对其的结构设计既不能遵照以前内 河双体船结构设计规范，也没有任何的母型船资料可供参考，设计中遇到了比较 棘手的问题，属于开拓性的研究设计。 本文主要内容是：结合多航态高速双体船的自身特点，如型线特点、航态特 点等，依据目前潜艇结构、气垫船结构以及内河双体船结构的型式对该高速双体 船的结构型式进行了初步设定。以结构力学为基础，利用直接计算法，对该高速 双体船的结构初步设计计算，对其中该高速双体船的几个危险工况下进行了结构 的强度与稳性校核，得出一个较为合理的结构。最后，利用结构有限元分析软件 a n s y s 对该双体船的潜水航态以及斜置波浪上两种情况分别进行了计算，通过计 算结果来对前面设计的结构进行进二步的研究。本课题具有较强的工程背景及参 考价值，为今后多航态高速双体船的设计提供重要的数据和参考。 关键词：多航态高速双体船结构强度直接计算法有限元分析 a b s t r a c t t h em u l t i p l es a i lp o s e sh i g hs p e e dc a t a m a r a ni san e w t y p ec a t a m a r a n ，j u s ta si t s n a m ei m p l i e s ，i th a sal o to fs a i lp o s e s ，i n c l u d es u b m e r g e n c e ，s l i d i n g ，a i rc u s h i o na n d c o m m o ns a i l p o s e t h em u l t i p l es a i lp o s e sh i g hs p e e dc a t a m a r a n g a t h e r s c h a r a c t e r i s t i c so fm a n ys h i p s ，h o w e v e r , t h e r ei sn o te x i s t i n go n e i ti ss i m i l a rw i t h c o m p l e xs h i p ，b u ti th a sm o r es a i lp o s e s t h i sp a p e ri sf r o mt h ec o n c e p t u a ld e s i g no ft h em u l t i p l es a i lp o s e sh i g hs p e e d c a t a m a r a n ss t r u c t u r e ，t oa c c o m p l i s h i n gm o r el o g i c a lp r e l i m i n a r yd e s i g n i tt a k e st h e s t r u c t u r em o u l da c c o r d i n g 、7 l ，i t l lt h em u l t i p l es a i lp o s e sh i 曲s p e e dc a t a m a r a n so w n c h a r a c t e r i s t i c b e c a u s et h e r ei sn o ta n yr e s e a r c ha b o u ti t w ec a nn o tc o n f o r mt o f r e s h w a t e rc a t a m a r a nc r i t e r i o na n dh a v en or e f e r e n c es h i p ，w h a t sm o r e ，e n c o u n t e r l o t so fd i f f i c u l t i e si n s t r u c t u r a ld e s i g n t h i sp a p e ri sap i o n e e ro ft h em u l t i p l es a i l p o s e sh i 曲s p e e dc a t a m a r a n ss t r u c t u r a ld e s i g n t h i sp a p e r sm a i nc o n t e n ti n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s f i s f l y , c o m b i n et h eo w n c h a r a c t e r i s t i co ft h em u l t i p l es a i lp o s e sh i g hs p e e dc a t a m a r a n ，s u c ha sf o r m ，s a i l t h i n g sa n ds oo n ，t h eb a s i cf o r mo fs t r u c t u r ei sd e s i g n e d ，r e f e r i n gt op r e s e n ts u b m a r i n e s h i ps t r u c t u r e ，h o v e r c r a f ts t r u c t u r ea n df r e s h w a t e rc a t a m a r a ns t r u c t u r e s e c o n d l y ，b a s e o ns t r u c t u r a lm e c h a n i c s ，u s i n gd i r e c tc a l c u l a t i n gm e t h o d ，t h i sp a p e rc o m p u t e sm o r e s t r u c t u r a li n t e n s r ya n ds t a b i l i t yo ft h i sc a t a m a r a n ，a n df i n das u i t e ds t r u c t u r a lf o r m f i n a l l y , c a l c u l a t i n ga b o u tt w os t a t u so ft h ec a t a m a r a n ，w h i c ha r es u b m e r g e n c ea n d p a r t i a lh u l lo nt h ew a v e ，t h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n ds t u d yo nt h er e s u l t s a b o v e t h i ss u b j e c th a ss t r o n ge n g i n e e r i n gb a c k g r o u n da n da p p l i c a t i o nv a l u e ，w h i c h c a np r o v i d ei m p o r t a n td a t aa n dr e f e r a n c ef o rt h ed e s i g no fc a t a m a r a nf o rt h ef u t u r e k e yw o r d s ：m u l t i p l e s a i lp o s e s ，h i g hs p e e dc a t a m a r a n ，d i r e c tc a l c u l a t i n g m e t h o d ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：耷 了试 签字日期：矿汐厂年，二月乙f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解岙鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 韩武 导师签名： 签字日期：2 仍r 年，2 月蚀e t 签字日期：功眇f 年2 月巧日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 多航态高速双体船的结构设计研究的背景及意义 1 1 1 高速双体船设计的研究现状【1 】【2 】 高速双体船是一种集优良的耐波性、快速性、稳性和回转等各种航海性能于 一身的高性能船型。它既保留了小水线面双体船的低阻，高耐波性及常规双体船 甲板面积宽敞的优点，同时融会变通了深v 船型的特点，克服了小水线面双体船 的片体无储备浮力、空间狭小和要求复杂的航态控制系统和传动系统等缺点，也 克服了常规双体船的片体干舷高储备浮力过大，对波浪响应敏感，船体纵摇和横 摇周期接近，易出现“螺旋状”摇摆而引起乘客不适等缺点。 目前我国营运中的双体船有1 3 0 余艘，主要有客船、汽车渡船及特种工作船 等3 类。 客船约占总数的1 3 ，可分为区间客船、游览船和交通船等。其中区间客船 多为客货两用船，载货量从l o l o o t 不等。这类客船航速较高，型线多呈快速性 特征；其上层建筑多为双层或多层甲板室，“长江5 0 0 客位”、“浙江6 0 5 ”等可为 其代表。游览船系近年才相继出现，如珠江的“旅游一号哈尔滨的“哈渡4 5 6 ” 等可为典型。其优点是，布置宽敞、舒适，船舶性能好，经济效益高，故发展前 途可观。 汽车渡船约占总数的2 3 ，是国内目前双体船中数量最大、发展最快的船型。 按汽车上下方式又可分为纵向和横向两种。横向上下的渡船船侧停靠码头或 坡岸，汽车在船上横向停驶，装运较为方便，例如，黄河的甲、乙、丙、丁、戌 型等均属如此。纵向上下的汽车渡船，则在船首、尾部设置跳板供车辆上下，以 接水泥坡面岸，如岳阳渡口的“岳8 1 2 3 1 ”、哈尔滨市的“建桥4 9 5 ”等。这类船 操纵灵活、两向航行方便省时。但由于造价及与之匹配的码头投资均较高，经济 性不如横向上下的车渡。此外，黑龙江的大部分车渡及黄河部分车渡属于车客混 渡型，适用于过往车辆不多而散担货人员较为集中的渡口，但这类船的安全措施 有待加强。 目前，国内的特种工作船为数尚不多，较具代表性的有山东“鲁渡1 0 1 ”、沿 海石油钻探船“钻探1 号”等。然而，由于双体船在性能上的显著优势，无疑将 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 使双体特种工作船型的发展有良好前景。 1 1 2 现役双体船结构布置特点【1 】 国内外大量现役双体船结构设计资料显示，双体船中，9 4 采用全船横骨架 式，仅6 采用混合骨架式，如大型车渡“黄河甲型”、“齐市6 3 0 ”、“岳阳1 2 车渡” 等，其连接桥为纵骨架式，片体在其中纵剖面至内舷的一半为纵骨架式，另一半 ( o e 纵剖面至外舷) 采用横骨架式。 横骨架式中，片体一般每2 3 个肋位布置道强框架，连接桥一般是每个肋 位设置强横梁。横舱壁间距均在4 7m 之间，肋距普遍为5 0 0m m 。 混合骨架式中，连接桥普遍每2 个肋位设鼍强横梁，与片体的纵骨架式部分 相对应，其余与横骨架式雷同。 1 1 3 双体船结构特点及研究现状【l 】【3 】 双体船在静水中的船体重量主要靠左，右两个片体的浮力支持，全船重量沿 船的横向分布状况取决于船体结构形式及总体布置，而全船浮力的横向分布与重 量的横向分布规律是不一致的，且方向相反。因此，其合力构成船体横向梁的分 布载荷，产生横向弯曲变形及断面剪力与横弯距。同理，当双体船在斜流、横浪 中航行时，由于左、右片体位于波浪的不同位置，则产生不同的浮力分布并与船 舶重力相平衡。 由于双体船主船体由两个片体通过连接桥连接而成，结构特别是片体连接位 置的分析与单体船有着截然不同的区别。双体船结构研究的重点：纵横弯曲问题 以及船在斜浪中连接桥的扭转强度问题：而总纵强度问题则退居次要位置。 一般双体船结构设计采用两种设计方法：规范设计方法即依照规范设计的方 法；直接计算法即直接根据结构受力进行力学分析的方法。目前中国船级社根据 以往船舶设计及营运情况己出版修订了常规双体船建造规范，使得常规双体船的 建造与设计有章可循。但对特种用途双体船的结构及设计问题现时的“规范”远 不能企及。设计者必须根据特种双体船的特点，建立一整套基于严密力学概念的 结构力学分析模型和设计方案，其模型不仅要理论严紧，同时又要结合工程实际 轻重有度，重点突出。 目前双体船研究的课题： 结构形式的进一步研究； 大多数实船的连接桥与片体之间的连接节点结构，均注意到连接的有效性， 有的措施还颇具特色。部分实船，例如，“哈8 0 0 客位”、“长江5 0 0 客位”，“瑞昌 号”等，出于抗扭考虑，均在船首尾部设置了抗扭箱结构，形成双体船特色之一。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 实船结构现状是：横骨架式的广泛采用和横向连接的加强，是出于提高船体 抗横弯的基本考虑，这一点收效是可以肯定的。然而，经分析，存在的问题是， 抗横弯能力普遍过剩，而整体抗扭能力却既先天不足，又乏于后天照顾。其次是， 片体与连接桥之闯的结构尺度和刚度匹配比例显得失调，且结构一体化缺乏规 划。因此，尽管实船结构重量大为增加，然而强度上并不安全。故双体船的合理 结构型式是有待探讨的问题。 建立合理的力学分析模型 针对特种船型要求，建立基于有限元分析理论基础的、符合工程实际的、双 体船扭转分析力学模型仍然是船舶结构界重点解决的问题。显然该力学模型应包 括以下内容：合理确定载荷；建立能够正确反映结构响应的有限元的计算模型， 该模型包括外载荷数据离散、结构约束条件的处理等，庞大的数据处理量，使得 有限元分析的难度相当大。 1 2 国内外对于本课题研究的动态及水平 多航态高速双体船，顾名思义，拥有多种航行姿态，本船有潜水航行态、滑 行态、垫升态和普通吃水航行态，设计最高速度在排水滑行态。有关这方面的研 究目前基本没有，此种双体船类似以前所说的复合型船舶，但是针对本论文的课 题，既没有什么规范可循也没有母型船的参考，尚属于研究性课题，因此对于此 多航态高速双体船的结构设计必然会存在着不可预料的难题。 基于双体船结构的设计由于每艘船的特点不同，人们很早就致力于研究双体 船结构的设计方法。在【苏】阿尔费里耶夫，马多尔斯基所编著，严爵华、樊德 光译的内河双体运输船【4 】中讨论了船体和连接桥的结构型式以及强度计算方 法，论述了双体船主要尺度选择的特点，具体解决了双体货船和双体客船的有关 设计问题，介绍了双体船的建造和使用经验等，同时还提供了一些可供实用的计 算图表、曲线和计算实例。 由于目前关于穿浪双体船在波浪中的横向载荷研究尚不多见，在王洪乙、高 新华发表的文章穿浪双体船横弯矩计算方法研究【5 】中，根据力学平衡原理， 在研究总纵弯矩的基础上，采用数学积分的理论方法推导出穿浪双体船在波浪中 的横向载荷分布及横向弯矩的计算方法。通过船模实验与实船计算结果进行比 较，证明该方法是可靠、可信的，对实船设计有一定的指导意义及实用价值。 袁秀联、边东方发表的对双体船连接桥检验的思考1 6 】一文中，从连接桥 强度计算、片体与连接桥连接部位的结构型式及装配与施焊的工艺要求等方面简 述了双体船连接桥设计应注意的问题。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 刘应群、郑荧军在我国双体船结构型式及结构特征参数分析【l j 一文中， 依据作者对我国双体船实船调查结果，揭示了左右船体强度水准的有关主尺度比 值的数理统计规律，对实船的基本结构型式及结构特征参量做了分析，对双体船 合理的结构型式进行了讨论。 在王发祥发表的 双体船抗扭箱节点选型试验研究及计算分析 7 1 中，提出 双体船抗扭箱节点选型是双体船结构设计中应慎重考虑的问题之一，对三种典型 的节点型式分别进行了模型应力测试及有限元计算，并在综合分析的基础上提出 较为优良的节点型式。 k a m l e s hs v a r y a n i ，r a m am g a t i g a n t i ，m i r o s l a wg e r i 出发表的( m o t i o n sa n d s l a m m i n gi m p a c to nc a t a m a r a n ) ) 闱一文中，阐述了在沿海运行的双体船有或没有 前进速度的运动情况，介绍了两种方法，带理论和3 d 跳动源方法，应用计算流 体力学对作用与双体船船体的抨击载荷进行了预测，并对作用与双体船船体和连 接结构的载荷作出了说明。 黄晓艳、刘波在舰船用结构材料的现状与发展【9 】中，主要介绍了国内外 研制的舰船船体结构钢、船体用铝合金和钛合金以及螺旋桨材料，鱼雷壳体材料 的研究现状与发展。 陈庆强、朱胜昌，郭列，黄福花发表的用整船有限元模型分析方法计算舰 船的总纵强度t 1 0 1 q ，采用整船三维有限元分析方法，通过整船加载和惯性平衡 处理，计算出设计目标船的总纵弯曲变形和应力分布，以及上层建筑参与船体总 纵强度的有效度，为船体总强度校核提供依据。 陈超核、杨永谦发表的有限元分析双体船扭转强度1 1 1 】申，针对双体船扭 转强度问题，提出了有限元分析的力学计算模型和计算方法，按现行规范要求对 一艘沿海航区的高速双体客船进行了实算和强度校核。计算结果表明，计算方法 实可行的，计算模型是合理和高效的。 在毛筱菲发表的双体船连接桥波浪载荷的试验研究【1 2 】中，利用模型试验 方法来决定作用在双体船连接桥结构尚的波浪诱载荷，探讨了航速、浪向及双体 片体间距对连接桥所受垂向弯矩、扭矩的影响。 1 3 本论文对于该课题的研究内容 论文设计双体船的特点：该多航态双体船的结构设计是从概念设计开始的， 由于该双体船多航态( 潜水航态、垫升航态、滑行航态、普通排水航态) 的特殊 性，总体布置与结构型式不仅无规范可循，而且它的特殊性也决定了照搬以前的 双体船结构型式是根本不可能的。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 在本论文中，首先，对该多航态高速双体船的结构型式进行了初步的设定， 由于它的性能的特殊性也决定了其结构的特殊性，通过借鉴目前潜艇结构型式、 气垫船的结构型式和内河双体船的结构型式，对该船的结构型式提出了三种假 设，并经比较选出了其中一种可行的方案。 其次，本文按照选出的可行方案的结构型式，以结构力学为基础，其中计算 模型和些参数的设定参照了船舶结构设计 1 3 l 、潜艇强度 1 4 1 和内河船 设计手册( 3 j ，对该双体船的结构进行了初步设计，如外板厚度设计计算、肋矩 设计计算、普通肋骨与强肋骨的设计计算、纵桁材的设计计算和连接桥的结构设 计计算。这部分的问题难点在于对各部分结构设计的力学计算模型的设定以及对 该模型的计算方法。 最后，本人通过以上的设计计算，初步的给出该多航态双体船的基本结构图， 并以此结构图对该船在两种最危险的工况进行了有限元分析。一，在潜水航态下， 本文采用了平行舯体的理论，对片体的舯体进行了建模，来计算受水压力下板与 骨材的应力情况，对计算结果进行了分析并对前面结构的初步设计方案进行了部 分修正和优化；二，在船舶斜置波浪的工况下，采用了板单元与梁单元结合的结 构，进行了全船有限元建模，但是在对波浪载荷的确定与波浪载荷施加中遇到了 比较大的闯题，在文中，以在最危险点迸行了静态处理，运用了s o l i d w o r k s 软件 对斜置波浪下船舶的浮态以及波浪载荷分布进行了计算，通过分片理论施加在有 限元的模型上，经过对结果的分析，该全船模型和波浪载荷处理是可行的。 天津大学硕士学位论文第二章该高速双体船结构型式的初步设定 2 1 简介 第二章高速双体船结构型式的初步设定 多航态高速双体船概念的提出属于开拓性的，类似以前的复合型船舶，但是 针对设计的双体船的特点，提出这样的概念也是很合理的。此高速双体船包括多 种航态：潜水航行态、滑行态、垫升态和普通吃水航行态等，由于以前基本没有 关于此种船舶的研究，双体船的规范也不适用于多航态高速双体船的结构设计， 本文只能通过它的特点根据相应航态特点的船舶结构来借鉴。 本章主要解决的问题； i 耐压结构梁的型式设定； 2 许用应力的安全系数的确定； 3 片体与连接桥的连接型式； 4 多航态高速双体船结构型式的初步设定。 2 2 潜艇结构的特点分析1 4 】【1 5 】 多航态高速双体船拥有潜水航态，因此本节通过对潜艇的结构设计特点来进 行分析，并以此作为借鉴，用于高速双体船耐压结构型式的选择和许用应力的安 全系数的确定。 2 2 i 潜艇的耐压结构 1 、耐压船体的功用和结构要求 潜艇为了能在深水中执行各项任务就必须设有坚固的船体以承受巨大的水 压力，耐压船体的主要功用就在于承受深水压力，保证舱室内部人员和各种设备 的正常工作。 此外，潜艇耐压船体组成一个水密空间，为潜艇提供8 0 8 5 的固定浮容 积，这就为潜艇在水下始终能维持重力等于浮力的平衡条件提供了基础a 为了保证耐压船体具有上述功用，因此其结构应满足如下要求： ( 1 ) 耐压船体必须具有足够的强度和稳定性，为此，就应该合理的选择结 构形状和构造方法。 天津大学硕士学位论文第二章该高速双体船结构型式的初步设定 ( 2 ) 耐压船体必须具有良好的紧密性，为此要求耐压壳板的接缝严密而结 实，各种出口处的紧密性应有专门填料函来保证。 2 、耐压船体的一般结构 耐压船体的形状是由受力、舱室设备布置、建造工艺以及外形等因素所决定 的。不同历史时期、不同类型的潜艇各个因素所起的作用亦不相同，因此研究耐 压船体形状时必须有全面的观点。但是一般情况下，其“受力”的观点总是起到 主导作用。 ， ( 1 ) 耐压船体横截面形状 历史上耐压船体横截面形状是多种多样的，曾出现过圆形、椭圆形、矩形以 及半圆形等形状。但从抵抗深水压力的观点来看，以圆形最为有利。所以圆形截 面的耐压船体从一开始就被广泛的采用，并且一直沿用到今天。 圆形剖面的耐压船体，其受力之所以最好，是因为它在均匀外压力作用下只 产生均匀收缩变形，这样壳板内部只有均匀压缩应力而无弯曲应力，材料能得到 充分利用，从而能做到结构重量轻、材料省。椭圆形、矩形等其他横剖面形状， 由于它们不是一个纯圆，在深水压力作用下除了产生压缩应力外，还有弯曲应力， 因此就不能均匀变形，见图2 1 。这样为了达到同样的强度，势必要加大结构的 尺寸增加船体的重量。 图2 1 不同横截面的耐压船体在均匀外力作用下的变形 现代潜艇下潜深度日益加大，因此绝大多数潜艇的耐压船体横剖面采用圆 形。但有时为了满足舱室设备布置的需要，也有采用圆形组合体，如“8 ”字体 横剖面结构，其组合形状多种多样。 ( 2 ) 耐压船体尺寸 耐压船体的尺寸，主要指它的直径和长度。耐压船体直径的大小，当然与潜 艇的排水量大小、潜艇线型和主要设备的尺寸有关。但主要考虑分层布置条件。 天津大学硕士学位论文 第二章该高速双体船结构型式的初步设定 在考虑分层时，要保证人员正常生活二工作条件及设备安装、检修等因素。耐压 船体长度，当然也与排水量大小、耐压船体直径有关，但主要由潜艇舱室纵向布 置条件来决定。一般来说，往往采取加大耐压船体直径，缩短耐压船体长度。 2 2 2 潜艇深水中的受力情况 潜艇处于水下状态时，作用在艇体上的外力是深水静压力，其次是由于各段 上重力和浮力不一致而产生的剪力、弯矩。然而这些剪力和弯矩所决定的应力相 对于由深水压力所决定的应力是很小的，因此可以忽略不计。 静水压力是由耐压艇体来承受的。从耐压艇体横截面来看，压力分布沿高度 方向成线性变化，其作用压力可分为两部分，如图2 2 所示 裂量营 图2 2 耐压艇体受力分布情况 ( 1 ) 均布载荷p o ： p o = 讷 式中y 水的重度，在潜艇强度脊计算中通常取y = 9 8 牵牛米3 ； h 一自由水面至耐压艇体轴线距离，即下潜深度，单位为米。 ( 2 ) 按三角形分布的载荷p 1 ： p 1 = 皿c o s a 式中r 耐压艇体的半径； a 决定于耐压艇体各点位置的角度。 因此，作用在耐压艇体上的载荷为： p o = 加+ 皿c o s a 比较上述二部分载荷可以看出，乡o 的最大比值为，对于现代潜艇，耐 压艇体半径一般为2 4 米，而极限深度一般为2 0 0 4 0 0 米，比值一般小于 2 ，因此为了计算方便通常忽略p 1 的影响。 耐压艇体的纵向总弯曲力矩的作用与深水压力的作用对艇体破坏是不同的， 前者力图使艇体沿纵向破坏，而后者将使艇体沿横向破坏。但使用实践及计算表 天津大学硕士学位论文 第二章该高速双体船结构型式的初步设定 明，如果耐压艇体在深水压力作用下横向强度有保证，那么，在纵向总弯曲力矩 作用下强度也一定有保证。 2 2 3 耐压艇体计算载荷的确定 1 、计算深度与计算载荷 在潜艇设计时，使潜艇的战术技术要求通常规定了潜艇的工作深度和极限深 度。工作深度是指潜艇在正常使用过程中所能达到的最大深度。在此深度上，潜 艇能作任意次、长期的停留而不引起耐压艇体永久变形。此深度通常为极限深度 的o 8 o 9 倍。 极限深度是指潜艇下潜的最大深度。在此深度上，潜艇只能作短时的、有限 次的停留而不引起耐压艇体永久变形。潜艇下潜至极限深度通常为了回避攻击或 由于操纵偏差造成，因此，相应于极限深度的静水压力是偶然的。 潜艇在服役过程中既然允许它有限次的在极限深度上作短时停留，说明极限 深度不是它的破坏深度。这是因为在设计计算耐压艇体强度时考虑了一定的强度 储备，以比极限深度更大的深度作为计算依据，此深度称为计算深度。相应于计 算深度下静水压力称为计算载荷。结构强度储备通常用安全系数k 来表示，因 此计算深度与极限深度的关系为： h ”= 殉p 2 、构成安全系数k 的一些主要因素 ( 1 ) 材料方面的影响 材料方面的影响通常包括两方面：一，材料几何尺寸的偏差；二，机械性能 方面的影响，通常包括弹性模数e 、泊桑比z 、屈服点及屈服比吒等。 ( 2 ) 所采用设计计算公式的可靠性 在潜艇强度计算规则中所采用的强度和稳定性计算公式，一般都是经过 大量的实物和模型试验证明是可靠的，因此安全系数中一般可以不考虑这方面的 影响。 ( 3 ) 生产建造方面的影响 生产建造方面的影响因素是很复杂的，但主要是结构的残余应力和几何形状 的偏差。 ( 4 ) 管理使用方面的影响 潜艇在服役过程中，由于种种原因常有失事超深的可能。根据对某些工况的 计算，认为取极限下潜深度的2 5 3 5 比较合适。艇体腐蚀的影响，由于腐蚀 量只与材料的腐蚀率及服役期限有关，因此对于极限深度大、耐压艇体尺寸大的 潜艇，由于壳板厚度大，考虑腐蚀的安全系数时相对取小些，反之则应取大些。 天津大学硕士学位论文 第二章该高速双体船结构型式的初步设定 由上述分析可以看出，安全系数的确定是很复杂的，主要是考虑潜艇的失事 超深及腐蚀的影响，当然也要考虑由于实艇与模型试验差别而又不能通过理论分 析所能估计到的一些不利因素。对于现代潜艇安全系数k = i 4 1 6 ，因此潜艇 的计算载荷为：p - - - ( 1 4 1 6 ) p 矗。 ( 2 1 ) 2 3 气垫船结构的特点分析1 6 j 多航态商速双体船的垫升航态，与侧壁式气垫船的航行原理相似，因此本节 通过分析气垫船的结构特点和受力分析，来对多航态高速双体船的结构和力学模 型设定进行参考与研究。 2 3 1 气垫船船体设计特点 与常规船舶一样，气垫船船体设计将主要根据如下条件，即 1 ) 船舶在营运与维修时所受的外力； 2 ) 船体材料的选择； 3 ) 安全系数的选择。 以上内容大多数与一般高性能船舶也没有多少不同，气垫船是属于一种大外 板面积的船舶，即s = = 备较高( 式中s 为外板面积，m 2 ；w ，为船的排水容积， 忤：j 。 m 3 ) 。试以侧壁船为例，其船体即相当于一个双体船，船很宽且呈双体。因此在 同样排水量下外板覆盖面积大，即使在板厚相同的情况下，其船体重量较常规船 大得多。当然船体重量与船的主要尺度有关，因此也与船的压长比有关，但是一 般气垫客船不可能采用过大的压长比，因为这将导致大的越峰阻力、兴波、波浪 附加阻力与过小的客舱容积，因此一般气垫客船皆采用所谓低密度船型，而高密 度船型仅用在一些特殊情况，如装载大密度货物，要求船的外形尺寸小以便进入 某些船舱。对于全垫升船来说，则由于浮箱的存在更增加了外板覆盖面积，也增 加了船体重量。 因此，气垫船也就不得不求助于高强度比的材料，如铝合金、玻璃钢等。但 是带来的后果是造价急剧上升。由于船在海水中航行，因此又要求材料具有抗腐 蚀能力，即使牺牲某些强度也是值得的。而船的尺寸小，采用的铝板又薄，于是 铝板焊接又成为个尖锐问题，这样就只能采用铆钉结构或胶接加上铆接的航空 工艺，这样造价就显得昂贵而失去竞争能力。 综上所述，目前的发展趋势是： 1 ) 以船用焊接结构来代替航空用的胶接铆接结构与工艺，使造价降低。但 天津大学硕士学位论文 第二章该高速双体船结构型式的初步设定 为了便于焊接就有可能增加板厚，这样船重量就更为增加。 2 ) 对于小型气垫船，则由于板厚太小无法焊接，只能采用铆接，但为了节 省劳力和重量与外形尺寸，也有可能取消浮箱或用气胀柔性结构来代替刚性结 构。 3 ) 对于侧壁船可用焊铝结构或玻璃钢，而后者则维修方便、建造工艺简单。 但玻璃钢结构一般均在高速气垫船排水量小于2 0 0 t 才普遍认为船体刚度上有所 保证。另外，对于船重较大，而航速较低的船只，为降低造价也有采用钢质结构 的。 4 ) 对于较小的气垫船，强度问题并不突出，但随着船尺寸的加大，耐波性 要求的提高，气垫船的强度计算，尤其是外力的确定将日益成为突出的矛盾。精 确的强度计算加之合理的结构型式，将能降低船体重量。 2 3 2 船体结构设计中的板厚考虑 1 、要考虑的是最小板厚的确定，尤其对于小型气垫船，其板厚往往不是根 据强度，而是根据工艺、使用、寿命、锈蚀等观点决定。 2 、在发动机基座区域、螺旋桨轴支架区域和喷水推进装置区域内外壳板， 以及受到严重机械磨损的板至少增后4 0 。 3 、当壳板厚度小于3 衄时，梁间距( 肋矩) 不应大于3 0 0 m ，在其他情况 下，不应大于4 0 0 m 。 4 、在侧壁下缘区域应增加壳板厚度或用专门的加强型式，增加后的厚度不 应小于2 倍侧壁壳板厚度。对淡水中使用的船，允许布置钢质的衬板加强。 2 4 普通内河双体船结构的特点分析 3 1 1 4 1 目前的普通内河双体船的结构设计已经有了一定的经验和方法，本节通过介 绍其结构特点分析和受力分析，以作为多航态高速双体船结构设计的一定依据和 参考。 2 4 1 作用于双体船的外负荷及各种受力状态载荷的确定 任何排水量船的船体都可以认为是在船舶重力和水浮力作用下的无支点梁。 此外，在有波浪的水面上，船舶还承受由惯性力、波浪冲击和浮力重新平衡所引 起的附加负荷。 作用力沿船长方向的分布是不均匀的，在船舶的各个剖面是不相等的，所以 天津大学硕士学位论文 第二章该高速双体船结构型式的初步设定 船体各横剖面上要产生弯矩和剪力。 对较宽的船舶，尤其是双体船，作用力沿船宽方向的分布与沿船长方向的分 布相似，是不均匀的，因此船舶的纵剖面特别是在连接桥部位要产生弯矩和剪力。 此外，与单体排水量船不同，要承受一些附加负荷。若无连接桥时双体船的两个 孤立片体都对水面有相应的平衡位置，但刚性结构的连接桥迫使两个片体的平衡 位置有所变化，因而连接桥就要承受负荷。此外，两片体的弯曲亦对连接桥产生 附加负荷。横向连接两片体的连接桥限制了船体的弯曲，所以无连接桥时单独片 体的弹性线特征在存在连接桥后就有所变化，也就是说连接桥约束了船体的弯 曲。 目前，对单体排水量船计算负荷是从静力条件来确定它们对船体的作用的。 显然，对双体船在所研究的航速范围内，外负荷也可以这样考虑。仅仅在个别情 况下，对轻型高速双体船才必须确定动力成分的负荷。 因此，作用于双体船的力可划分为： l 、产生在船舶横剖面中的静水纵向弯矩和剪力； 2 、产生在船舶纵剖面中的静水横向弯矩和剪力； 3 、产生在船舶横剖面中的波浪纵向附加弯矩和剪力； 4 、产生在船舶纵剖面中的波浪横向附加弯矩和剪力； 5 、双体船斜置在波浪上时连接桥处的作用力。 此外，双体船还可能承受波浪的冲击、进坞时龙骨墩的反作用力等。 2 4 2 船体结构特点 船体结构选择取决于主要尺度和片体形状、作用于船体的外负荷特点、货物 配置和贮存的使用要求、货物的装卸、保证航行安全的条件、结构工艺性以及最 小片体重量等因素。 由于主尺度比和片体形状的差别以及作用于船体的外力各不相同，双体船就 会有不同的特点，从而确定了对片体骨架系统选择及节点结构型式的要求。 通常尾机型船是要产生中拱的，实际上对已建造的双体船计算纵向弯矩是按 船舶置于波峰的状态来进行的。至于舯机型双体船，货船仍处于中拱状态，而客 船可能出现中垂。因而对双体船而言，片体大多数情况是处于中拱状态，也就是 说船底受压而甲板受拉，因此船底采用纵骨架式是合理的。 双体船船底板架的特点是板架的长度比比较大。设置横向框架构件是保证底 部板架局部强度的最合理措施，而可以设置最少数量的龙骨来保证板架的稳定 性。一般只设中龙骨。 为了使船壳板能尽多地参加总纵弯曲并得到必要的纵向构件剖面积，设置一 天津大学硕士学位论文 第二章该高速双体船结构型式的初步设定 些纵向连续的刚性防挠材是合理的。 考虑到双体船的片体内部几乎不会被用来装货，因而底部板架没有与水压里 相反的货物压力，因此应当设置支柱使船底板架与甲板板架共同工作。 舷侧板架结构的特点是在内舷与连接桥底板的连接部位设置附加舷侧纵桁。 连接桥顶部的结构可看作是甲板板架的一部分。 为了承受纵向弯矩和保证两片体的纵向刚度，甲板板架和船底板架最好采用 纵骨架式。 双体船两片体内横舱壁的配置和底舱的布置基本上取决于舱壁与连接桥横 向承载构件的连接结构。在机舱区片体骨架的特点是主机上方的甲板板架有大开 口。已建成的双体船使用经验表明，由于甲板大开口的存在使片体横剖面减弱， 从而产生了很大的主机横向振动。为此，采取了加强措施，在大开口两端处采用 双联横向框架肋骨，同时加强了舷侧骨架的横向构件，这就消除了振动很大的现 象。 片体首尾两端很瘦削，因此布置锚机和锚链舱都有困难，所以必须设置首尾 楼。首、尾楼也保证了端部连接桥梁适当升高的要求。由于首、尾端瘦削，在装 配外板时不得不加垫板采用塞焊或开槽焊。 2 4 3 连接桥结构 与任何船舶一样，要合理选择双体船片体结构，就必须保证船舶在给定的航 行条件下具有足够的强度。双体船的结构特点除对等值梁的选择( 即对总强度) 有影响之外，还在于必须选择和论证连接两片体使船成为一个牢固的整体的结 构，这部分结构称之为连接桥。 连接桥的结构及其强度计算是个在专业文献中探讨得比较少的新问题。根据 理论研究以及模型和实船试验，可以对连接桥结构作出如下建议：横向承载构件 无论是在全船的纵中心线处还是片体内舷处，都必须有足够强的剖面并通过内舷 延伸至片体内部；沿整个船长横向承载构件应当均匀布置；横向承载构件的刚度 及其与两片体的连接必须保证横向承载构件与两片体共同参加总横弯曲和总纵 弯曲；连接桥应当承受货物压力、甲板机械与设备、波浪冲击等产生的局部负荷。 综上所述，可推荐下列几种连接桥的结构型式： 1 、梁式连接桥 梁式连接桥由各个单独的强箱型形梁组成。箱型梁设置在片体最大刚度处， 一般是在横舱壁和半舱壁处。箱型梁由实肋板、普通梁和实肋板间的纵向构架组 成。实肋板与片体强框架应布置在同一平面内。普通梁可纵向布置或横向布置， 亦可混合布置，即主甲板处采用纵向布置而箱型梁靠近水面的底板内部采用横向 天津大学硕士学位论文 第二章该高速双体船结构型式的初步设定 布置。普通梁究竟采用哪一种布置方式取决于局部负荷的特点、与船体构件连接 的可能性以及结构的工艺性。 根据构件下边缘距水面净空高度和连接桥与迎浪之间的相互作用情况，可采 用开式或闭式连接桥。闭式连接桥就是在连接桥的向水一面加设底封板。为了保 证连接桥与两片体间的可靠连接，在片体内与箱型梁底板同平面的部位设置强 舷侧纵桁、舷侧纵桁和支持在舱壁或半舱壁上。在箱型梁内部交错布置强力横向 框架和普通横向骨架。 2 、单一结构连接桥 采用沿整个船长方向强框架与普通梁交错布置的结构。与梁式连接桥一样， 普通梁可以横向布置也可以纵向布置。横向强框架既可以采用开减轻孔的连续实 肋板，也可采用上下分开布置的单独折边板。 根据连接桥的宽度，配置纵向强骨架，其结构与横向强框架相似。强框架结 构中的开孔减轻了结构重量并保证在修理或焊接时操作人员可以进入到连接桥 内的任何角落。为了保证连接桥有较大的横向刚度，建议连接桥底部加封板，即 采用闭式连接桥。单一结构连接桥施工简单，在等强度时实际上与粱式连接桥的 重量大致相等。 3 、舱壁式连接桥 这种连接桥由布置在主甲板上的单独或成对的横框架或横舱壁组成，这时连 接片体的框架和舱壁是上层建筑不可分割的部分，其布置应与船舶总布置共同考 虑。应保证横舱壁和框架与片体有可靠的过渡。通常它们是与片体横舱壁布置在 同一平面内。横舱壁之间的连接桥骨架由横向强框架和纵向或横向的普通梁组 成，而横向强框架与片体强框架设在同一平面。在必要时可设置纵向强框架。如 果要求连接桥骨架底面铺设封板，而横向强框架的高度又不能保证足够的空间来 进行修理和焊接工作，则封板可采用塞焊或开槽焊将连接桥部位的主甲板移至连 接桥构件底边平面处。 4 、组合式连接桥 组合式连接桥由布置在主甲板以下的梁式或单一结构式的构件与布置在主 甲板上的横舱壁、横框架构件组成。这种类型的连接桥比较适用于双体客船，因 为客船客舱和服务舱室的布置使横舱壁的间距受到限制，因此不能保证连接桥可 靠的强度和刚度。 选择何种型式的连接桥不仅取决于船舶的建筑形式，而且如同上述，还必须 保证必要的强度和刚度。 因此，已知双体船两片体的假定刚度，根据刚度比，从保证船舶有足够刚度 的观点出发，可以估计应选择哪一种连接桥。 2 s 鳙黼赢赢赢嚣鬻翅 麓器喜定 垂扶霎善_兰蒌i蕊可与般单体船样，将船处于中撰中 窭一甚芸 霎锵鲰再魏与中间链蚴二：总：嘲砚嗽规 b ) 横向弯曲 一“8 杂挈嘲蛾铀啡峨呲时 蠢： 天津大学硕士学位论文 第二章该高速双体船结构型式的初步设定 密契尔曾建议取一片体全脱水状态做为计算状态，看来过于保守。根据已建 造的双体船来看，按半脱水状态校核连接桥的强度，还是安全可靠的。 对于连接桥甲板装载沉重物件时所产生的静弯矩亦应计算在内，而对于均匀 装载轻货所产生的很小的静弯矩常可忽略不计。 c ) 处于斜浪时的扭转 tt 按s c o t t 建议，波峰通过一片体舯前；处及另一片体舯后导处；波谷处于一 4 4 片体的首部及另一片体的尾部( 如图3 ) ，此时会出现最大的扭矩。这种情况下， 每一片体的纵向浮心位置向波峰方向移动4 l 的距离，两片体浮心的纵向距离 为2 x 4 l ，则连接桥所受的扭矩为： m = 片体排水量2 x 4 l = 总排水量4 l = o 0 4 l a ( t m ) ( 2 3 ) 一般在双体船强度计算中，均按此扭矩值进行强度校核。 图2 4 双体船置于斜浪扭转状态示意图 d ) 波浪冲击： 波浪对连接桥的冲击即作为局部强度来考虑，对于海上可能在大风浪下受到 严重冲击的双体船，则必须考虑波浪的冲击。s c o t t 认为此种类型船，在排水量4 0 0 0 吨以下时可按局部强度考虑进行设计。 该船在波浪中高速航行时，在波浪冲击中心处的波浪冲击压力( 即最大的水 天津大学硕士学位论文 第二章该高速双体船结构型式的初步设定 。_。_。_-_-。_。_。_。_。_。_。_-。_。i_。_-_ 动压力) 为 p m k 3 k 2 p 。1 矗u 。( p a ) ( 2 4 ) 式中：b 经验系数，取b = 4 6 - 4 9 氏水的密度，n s 2 m k ：考虑到波浪冲击中心距首距离( x ) 的影响系数 毕 2 一事篇： c 2 首部波浪冲击压力与船舶速度之间的线性关系，对于首部冲击情况，如取 k 2 = 2 o 则可得 p 一1 。 ( 2 6 ) 式中：1 ，。船速，k i l p 一最大波浪冲击压力，l b i n 2 ( x 6 8 9 4 7 6 p a ) 此即为著名的一磅一节规律，也就是说，首部外板或板架的水冲击压力为航 速每增加l k n 压力增加l l b i n 2 。 另外对于双体船还应注意到由于一片体的搁浅触礁，碰撞等意外情况时，由 于另一片体的惯性作用而产生对连接桥的水平冲击力，但对此除作一定的结构加 强及安全系数考虑外，对具体负荷难以确定。 e ) 下潜时所受的水压力： ( 1 ) 工作水深h 口： 5 m 。 ( 2 ) 设计水深h 自： 工作水深一般为极限水深的o 8 o 9 倍 极限水深为 h 豇= h 夕8 = 6 2 5 m ( 2 - - 7 ) 附加水深一般为极限水深的2 5 3 5 计算水深：h j l = h 且+ h a = 8 4 4 m ( 2 - - 8 ) 算上片体型深