多工况下玻璃钢双体游艇强度的计算研究.pdf

２０１６年第６期玻璃钢／复合材料５多工况下玻璃钢双体游艇强度的计算研究’李尧，林少芬，严谨，陈清林（１．广东海洋大学工程学院，湛江５２４０００；２．集美大学轮机工程学院，厦门３６１０２１）摘要：玻璃钢双体游艇在实际多工况条件下，危险截面情况比钢制双体船复杂，对其进行强度计算需要综合考虑艇体材料及结构的特殊性，目前相关研究和关注很少。以玻璃钢双体游艇为对象，根据结构特性、实际航行区域选取１０种主要危险工况，采用有限元法进行多工况联合作用下全艇结构强度的计算研究。改变传统对危险截面的独立分析方式，提出对玻璃钢艇体材料采用二次赋值修正。研究显示，不同步扭转、横向弯曲、弯扭组合工况是发生强度失效的主因，不同步扭转工况是刚度失效的主因。获得了全艇对主应力变化的敏感结构、危险工况，及主要危险工况下玻璃钢面板最大、最小主应力的变化规律。在与传统规范法的对比中发现，规范法基于钢制船的设计思路所设计的局部结构偏于危险。文中的研究方法与结论对复合材料船艇的强度计算具有一定的参考价值。关键词：玻璃钢；双体游艇；结构强度；有限元；主应力中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３－０９９９（２０１６）０６－０００５－０６玻璃钢双体游艇作为一种新型艇型，具有重量轻、稳性好、甲板面积大等优点＿１Ｊ，近年来在我国得到快速发展和应用。有限元在钢制船的结构强度计算应用已经非常成熟，是结构强度计算的最有效方’法，并被推广应用于钢制、铝制双体船ｊ。在复合材料船艇结构计算领域，Ｒｏｂｅｒｔｏｏｊｅｄａ等人利用有限元法计算了小型复合材料双体船在砰击载荷下的局部结构响应，通过改变船上复合材料层的方向对结构进行了优化分析Ｊ。刘雪松等计算了一艘夹层结构玻璃钢单体游艇，采用层合壳单元处理复合材料夹层结构。唐天成对木质芯材玻璃钢结构船艇进行了计算。纵观有限元法在双体船型结构强度计算的发展，研究主要集中在钢制、铝制双体船上¨…，针对复合材料船艇的研究较少，且主要针对小型艇或单体艇的局部结构。针对复合材料双体艇的文献中没有涉及多工况的组合情形。此外，针对符合艇体实际拉压情况的复合材料参数赋值文献中没有做出明确说明。本文利用有限元法，以一艘新型玻璃钢双体游艇为研究对象，提出了对玻璃钢艇强度的二次赋值修正方法。在对１０种主要危险工况计算结果的基础上，重点关注各工况特别是组合工况下主要结构内外面板的极值主应力，以获得玻璃钢双体游艇结构的主要失效方式以及导致失效主因。通过对主应力变化的敏感结构以及主要危险工况对玻璃钢面板最大、最小主应力的影响规律的综合分析，掌握该艇型的主要危险工况及危险点，文中的方法可进一步推广到其他新型复合材料船艇的结构优化、有限元强度计算领域。１材料参数及有限元模型玻璃钢材料主要参数包括面板／芯材材料特性，厚度以及铺层设置。面板材料必须要有足够的强度承受波浪外载荷，芯材则具有较低的密度以达到减轻整个游艇重量的目的，文中的双体游艇面板采用强度较高的Ｅ一玻璃纤维正交布、玻璃纤维短切毡、树脂交替铺设的结构形式，芯材选用ＰＶＣ泡沫。主要力学性能通过力学试验¨获得，见表１、表２。表１密度为ｌＯＯｋｇ／ｍ的ＰＶＣ芯材泡沫参数Ｔａｂｌｅ１ＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＰＶＣｆｏａｍ（１００ｋｓ／ｍ）材料参数数值材料参数数值材料参数数值拉伸弹性模量６５ＭＰａ压缩强度１．４４ＭＰａ剪切模量３１ＭＰａ压缩弹性模量１０３ＭＰａ剪切强度１．２１ＭＰａ泊松比０．３拉伸强度２．０２ＭＰａ一一一一—收稿日期：２０１６－０１０８基金项目：交通运输部应用基础研究项目（２０１４３２９８１５１００）；福建省高校产学研重大项目（２０１４Ｈ６０２０）；广东省创新训练项目（ＣＸＸＬ２０１５０６７）；广东省创新训练项目（ＣＸＸＬ２０１４０７７）作者简介：李尧（１９８９－），男，硕士，讲师，研究方向为复合材料船艇的强度计算及流固耦合。通讯作者：林少芬（１９６２一），女，博士，教授，研究方向为游艇设计与建造、精益造船技术、机电一体化的可靠性与仿真，ｓｈａｏｆｅｎｌｉｎ＠１６３．ｅｏｍ℃｜２０１６年第６期玻璃钢／复合材料９舱壁板外面板和连接桥底板、舱壁板、纵桁内面板仍然偏于危险。暇枷稍Ｏ连接桥舷侧板甲板板舱壁板连接桥连接桥底板横粱纵桁主要结构图８外面板安全因子直方图Ｆｉｇ．８Ｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒｈｉｓｔｏｇｒａｍｏｆｏｕｔｓｉｄｅｐａｎｅｌｓ剞舷４０连接桥舷侧板甲板板舱壁板连接桥连接桥底板横粱纵桁主要结构图９内面板安全因子直方图Ｆｉｇ．９Ｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒｈｉｓｔｏｇｒａｍｏｆｉｎｓｉｄｅｐａｎｅｌｓ５结论本文在前人的基础上，结合玻璃钢材料的拉压特性，提出更加符合实际情况的针对玻璃钢面板的二次赋值计算方法。计算表明，横弯作为极值危险工况、片体不同步扭转作为综合危险工况、弯扭组合工况最易发生强度失效；所有工况中片体不同步扭转工况最易发生由夹层板层间破坏引起的刚度失效。全艇最大、小主应力对横弯变形的形式最为敏感，在横弯（外）工况下，全艇拉伸变形占主导地位，横弯（内）工况结构则主要发生压缩变形；片体不同步扭转工况对于最大、最小主应力的贡献大于横弯工况。通过将有限元法与规范法的计算结果对比发现，根据规范法所设计的舱壁板外面板和连接桥底板、舱壁板、纵桁内面板仍然偏于危险。本文采用的方法及结论具有通用性，此外，玻璃钢艇身材料简单采用第一强度理论校核其强度未免有失偏颇，下一步可考虑引入复合材料的破坏准则对玻璃钢游艇的结构强度进行综合考虑。参考文献—［１］宋国华．双体船的总体性能设计［Ｊ］．船舶，１９９８（１）：３２４６．［２］牟宗宝，林焰，于雁云．玻璃钢渔船帽形骨材顶角变化对应力集中的影响［Ｊ］．船舶工程，２０１２（５）：１７１９．［３］杨平，黄乐华．双体船结构的直接计算分析［Ｊ］．船海工程，２００６，５：４－６．［４］Ｍｏｒｒｉｓ，Ｊ．Ａ．．Ａｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｌａｒｇｅｗａｖｅ—ｐｉｅｒｃｉｎｇｃａｔａｍａｒａｎｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．ＩＭＡＳ９１ＨｉｇｈＳｐｅｅｄＭａｒｉｎｅＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，１９９１．—［５］ＬａｔｏｒｒｅＲ．Ｇ．，ＨｅｒｒｉｎｇｔｏｎＰ．Ｄ．．Ｄｅｓｉｇｈｏｆａ３３一ｋｎｏｔａｌｕｍｉｎｕｍｃａｔａｍａｒａｎｆｅｒｒｙ［ＪＪ．ＭａｒｉｎｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０００（３７）：８８－９９．［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，２０１０，２（５）：１４１８．［７］Ｒｏｂｅｒｔｏｏｊｅｄａ，Ｂ．ＧａｎｇａｄｈａｒａＰｒｕｓｔｙ，ＭａｒｃｏｓＳａｌａｓ．Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｉｎｖｅｎｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｓｔａｔｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆａｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃａｔａｍａｒａｎｕｎｄｅｒ—ｓｌａｍｍｉｎｇｌｏａｄｓ［Ｊ］．ＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００４，３１（７）：９０１９２９．［８］刘雪松，周玉龙．夹层结构玻璃钢游艇整船结构强度有限元分—析［Ｊ］．中国舰船研究，２０１０，５（２）：４５４８．［９］唐天成．木质芯材玻璃钢混合骨材结构［Ｊ］．船舶，２００９，１０—（５）：２３２７．［１０］ＨｅｇｇｅｌｕｎｄＳ．Ｅ．，ＭｏａｎＴ．，ＯｍａＳ．．Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆ—ｃａｔａｍａｒａｎｓ［Ｊ］．ＭａｒｉｎｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ，２０００（１３）：５１７５３５．［１１］孙春方，薛元德，胡培．复合材料泡沫夹层结构力学性能与试验方法［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００５（２）：３－６．［１２］沈观林，胡更开．复合材料力学［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００６．［１３］张建华，丁磊．ＡＢＡＱＵＳ基础入门与案例精通［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０１２．［１４］庄茁，由小川，廖剑晖，等．基于ＡＢＡＱＵＳ的有限元分析与应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００９．［１５］中国船级社，海上高速船入级与建造规范［ｓ］．［１６］中国船级社，游艇建造规范［Ｓ］．ＦＲＰｌＣＭ：２０１６。Ｎｏ．６多工况下玻璃钢双体游艇强度的计算研究２０１６年６月ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮＯＦＧＦＲＰＣＡＴＡＭＡＲＡＮＳＴＲＵＣＴＵＲＡＬＳＴＲＥＮＧＴＨＵＮＤＥＲＴＨＥＭＵＬＴＩＰＬＥＣＯＮＤＩＴＩＯＮＳ—ＬＩＹａｏ，ＬＩＮＳｈａｏｆｅｎ，ＹＡＮＪｉｎ，ＣＨＥＮＱｉｎｇ．１ｉｎ（１．ＴｈｅＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｔＧｕａｎｇｄｏｎｇＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈａｎｊｉａｎｇ５２４０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＴｈｅＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｒｉｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｔＪｉｍｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｍｅｎ３６１０２１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＧＦＲＰｃａｔａｍａｒａｎｈａｓｍｏｒｅｄａｎｇｅｒｏｕｓｓｉｔｕａｔｉｏｎｓｔｈａｎｔｈｅｓｔｅｅｌｏｎｅｓｕｎｄｅｒｔｈｅｍｕｈｉｐｌｅｃ０ｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｉｔｎｅｅｄｓｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒｉｔｓｐａｒｔｉｃｕｌａｒｉｔｙｈｕｌｌｓｔｒｅｎｇｔｈｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｈｅｎｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｉｔｓｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｎｏｗｖｅｒｙｆｅｗｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｔｔｅｎｔｉｏｎｉｓｔａｋｅｎｏｎｉｔ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｂｙｔａｋｉｎｇｔｈｅＧＦＲＰｃａｔａｍａｒａｎａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔ，１０ｋｉｎｄｓｏｆｍａｊｏｒｄａｎｇｅｒｏｕｓｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｔｈｅａｃｔｕａｌｓａｉｌａｒｅａ，ｕｓｉｎｇｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｉｔｓｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｍｂｉｎｅｄｅｆｆｅｃｔｓｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｏｃｈａｎｇｅｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｗａｙｏｆｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｔｏｗａｒｄｓｔｈｅｄａｎｇｅｒｏｕｓｓｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｑｕａｄｒａｔｉｃａｓｓｉｇｎｍｅｎｔｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｏｒｓｉｏｎ，ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｂｅｎｄｉｎｇ，ｔｏｒｓｉｏｎ・ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅｔｈｅｍａｉｎｒｅａｓｏｎｏｆｓｔｒｅｎｇｔｈｆａｉｌｕｒｅ．Ｔｏｒｓｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅｔｈｅｍａｉｎｒｅａ－ｓｏｎｏｆｓｔｒｅｎｇｔｈｆａｉｌｕｒｅ．Ａｌｓｏ，ｉｔｆｉｎｄｓｔｈｅｄａｎｇｅｒｏｕｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｈｉｃｈｉｓｓｅｎｓｉｔｉｖｅｔｏｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｗｉｎ－ｃｉｐａｌｓｔｒｅｓｓ，ａｎｄｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｒｅｇｕｌａｒｉｔｙｏｆｍａｘｉｍｕｍ／ｍｉｎｉｍｕｍｐｒｉｎｃｉｐａｌｓｔｒｅｓｓｏｆＧＦＲＰｐａｎｅｌｓ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｓｏｍｅｌｏｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄａｒｅｓｔｉｌｌｄａｎｇｅｒｏｕｓ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｈａｖｅｒｅｆｅｒ－ｅｎｃｅｖａｌｕｅｏｎｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｙａｃｈｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃ；ｃａｔａｍａｒａｎ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ；ｐｒｉｎｃｉｐａｌｓｔｒｅｓｓ（上接第３６页）ＰＫＥＭｌＬｌＮＡＲＹＥＸＰＬＯＲ’ＡＴＩＯＮＯＮＲＥＡＬｌＡＢｌＬｌｌＹＤＥＳｌＧＭＥＴＨＯＤｏＦＣｏＭＰｏＳｌＴＥＳＴＲＵＣＴＵＲＥＩＮＷＡＲＳＨＩＰＳＵＮＷｅｉ，ＣＨＥＮＧｕｏ．ｔａｏ，ＭＥＩＺｈｉ．ｙｕａｎ，ＬＩＵＬｉｎｇ——（１．ＮａｖａｌＭｉｌｉｔａｒｙＲｅｐｒｅｓｅｎｔ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