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1、分类号:密级：UDC :编号：工学硕士论文小型气垫船结构强度有限元分析研究硕士研究生：曲鹏指导教师：佟福山教授学科、专业：船舶与海洋结构物设计制造论文主审人：任慧龙教授哈尔滨工程大学2013年3月分类号：密级：U D C :编号:工学硕士学位论文小型气垫船结构强度有限元分析研究硕士研究生：曲鹏指导教师：佟福山教授学位级别：工学硕士学科、专业：船舶与海洋结构物设计制造所在单位：船舶工程学院论文提交日期：2013年01月论文答辩日期:2013年03月致谢70哈尔滨工程大学硕士学位论文第1章绪论第1章绪论1.1概述气垫船的分类气垫船是一种利用高于大气压的空气气垫在船底与支撑表面（水面、陆面 等）之间
2、，以达到部分或全部船体脱离支撑表面而高速航行的船舶。气垫船根据气垫 类型主要分为两大类，全垫升式气垫船（全浮式气垫船）和侧壁式气垫船。全垫升式气垫船采用底部四周安装柔性围裙的方式对空气进行压缩形成气 垫，通过高压空气的抬升作用使船体悬浮于水面或陆地之上，因此可作为两栖船使 用。以空气风扇设备作为动力推进。侧壁式气垫船外形更加类似双体船，通过船体两侧插入水中的刚性侧壁和 首尾部安装的柔性围裙起到空气封闭压缩作用。空气风机对 气室不断充气使船体漂浮于水面之上。相对全垫升式气垫船，侧壁式气垫船具有更好的操纵性和稳定性，但 航速相对低于1全垫升式气垫船，并且不具有两栖性能。课题研究的背景和意义中国人民
3、解放军军事工程学院于1957年开始对于气垫船技术进行研 究，并于1959年在旅顺成功进行了远程航行，可以说我国是首个在海面上进行气垫船长 距离航行试验2成功的国家。气垫船主要应用于军事领域，至今为止主要分 为三代：第一代气垫船首次面世是由英国公司生产的SRN3型，该船为全船体铝合金结构；第二代 则为铝和复合材料混合结构；第三代船体采用了先进的增强型复合材料Kevlar ,上层 建筑采用玻璃钢材料。本文目的是通过将俄罗斯全垫升式气垫船作为母型船进行结构强度方向的 研究，应用有限元软件MSC. PATRAN、MSC. NASTRAN进行三维建模及工况的计 算，并结合我国船级社相关规范进行计算数据的
4、对比，达到可投入生产制造的目的。此 项工作的意义，首先，没有采用船体梁方式计算，而是通过有限元直接计算法对气垫船进行整船的强度分析。用有限元软件对气垫船进行实体建模并计算出在不同工况载荷下的总强度，得到整船应力分布云图及不同载荷下的变形图，这使我们对气垫船结构强度有 了更清晰的认识，而且对未来同类船舶设计起到借鉴补益作用。其次，对于将国外民用气垫船结构改造为适合我国规范并能投入生产的工作起到推动作用。同时也为探讨国内外气垫船的设1哈尔滨 工程 大学硕士学位 论文计规范之间的差异提供一个讨论实例。最后，希望能为气垫船的开发设计 提供一个参考算例。3根据我国科技部文件，其中涉及气垫船部分阐明了以下
5、内容:随着沿江地 区和沿海地区 城市对于客运和货运量的需求大量增加，目前己有水运船只数量 已达不到需求水平。同时提高船舶技术含量与性能，比如建造科技含量更高的水上高速船 型，和建立效率更高更加合理的水运体系，己成为我国水上运输所面对的最主要发展 方向。现阶段国内正在使用的营运船基本要靠通过进口国外的船舶，导致一系列问题比如 船型过旧、能源消耗量过大、安全性较低。因此需尽快进行更新换代，同时这对发 展我国自己的高速水运体系创造了很好的空间。现阶段具体实施的重点方向为：提升水 翼船、气垫船、穿浪双体船和高性能小水面船等各 种类型高速 高性能船的整体研发设计与 施工建造能力，以尽快达到可以量产并使用
6、的效果。气垫船作为高性能船的f种，其特点是高速航行状态下能滑行与水面以 上，从而大大减少了船体兴波。起初为达到此目的人们自然想到了使船体脱离水面， 同时又能在地面效应的范围运行，因而产生了地效应船，傅汝德 的设想是在船体与水 面之间形成一层薄空气层以减少船体与水面的摩擦阻力，但从大量实验结果中总结，在船 体高航速行驶时要使空气层附着于船体表面是具有很大困难的，处理不当甚至可能产生 一层粗糙表层，反而大大增加了摩擦阻力。最终人们想到通过产生一层较厚的空气垫 托起船体来实现脱离水面的设想。全垫升式气垫船通过位于船底四周的柔性围裙对气垫进行封闭，以达到小 吃水甚至负吃水的效果，同时可达到船舶两栖的效
7、果，通常通过空气动力螺旋桨或 者喷气推进作为动力。气垫船发展的两点关键技术在于，第一，围裙的开发设计。围裙寿命是气 垫船使用的重要参考，也决定了使用者对该船的信赖度。最初我国自主研发的气 垫船围裙寿命仅仅能达到几十小时甚至几小时。第二，是气垫船船体的结构强度，包括气 垫船的总体结构强度和局部强度的分析。本文的目的则是针对指定的俄罗斯先进的小型全垫升式气垫船分别做了整船和局部的强度分析。“KH1VUST0”作为俄罗 斯近些年开发的新型小型气垫船，不但具有传统 气垫船所具有的快速性，同时又因其体积小，重量轻，具有更高的机动性。可作为旅 行探险、地质勘探、恶略环境救援、军事快速反应等多用途两栖交通工
8、具。该船外形 美观，操作简便，2第1章绪论低耗能，经济性更好。该船建造工艺具有一定难度，整体外板厚度及内部 构件厚度极薄，最大板厚为1.2mm铝合金板，最小板厚仅0.8mm铝合金板，构件通过螺 栓钏接连接。对此种特殊船型的有限元强度计算在现有数据库中几乎无法查阅相关类似 文献记录，国内外船级社规范中也没有专门的强度校核方法，因此对于这种 规范以外 船舶的校核则需要另寻方法。随着计算机技术的发展，有限元直接计算法为我们提供了一 种有效的途径。这也使本文计算具有一定意义，不仅对该类船舶的设计生产提供了方式方 法，同时也为规范的制定提供了参考意义。图1.1为该气垫船整体外观视图，图1.2 为典型横剖
9、面图，图1.3为肋位分布图。图1. 1整体 外观 视图图1.2典型横剖面图3哈尔滨工程大学硕士学位论文图1.3肋位分布图目前我国实船的结构强度设计方法通常为规范计算法和直接计算法两种， 直接计算法将在第二章作详细介绍。规范计算法的思路是将船体内骨架作为单跨梁 处理，以船体支柱、舷侧及舱壁等连接位置作为边界条件，再根据弯曲剪切原理以确 定构件的强度稳定性，包括惯性矩及剖面模数，从而计算得到安全系数，此类计算规范中均有详细公式可参考，取简支或者刚性固定作为边界条件，此方法简单可靠。但弊端也 较为明显，船体结构作为一个由数量众多的构件结合而成复杂的整体，其彼此之间必有 关联，互相影响。规范计算只能将
10、离散后的个体进行单独分析，但无法准确反应出这 种互相的作用，因此所得到的结果不能真实反应最终的结果。随着技术的不断进步，规范 也需要随之进4行更改与发展，变得更加准确。1. 1.3船体强度的研究意义与大多数高性能船相比，气垫船需要特别注意以下几点：1. 气垫船的外载荷确定与强度校核；2. 计算船体内力时安全系数的确定；3. 船体结构外板及构件厚度的确定；4. 船用机械设备产生的振动问题。气垫船作为一种大外板面积船舶,在同等排水量，同等板厚的情况下，其重量 会远大于常规排水型船舶。考虑到实际情况在确定船体主尺度与船重时需要考 虑压长比pl/,过大的压长比会导致行驶过程中越峰阻力、兴波阻力、波浪阻
11、力等增加和舱容004第1章绪论的减小。为了避免这种情况，尤其对于客运用途气垫船通常采用小压长比 船型。对于全垫升式气垫船由于使用浮箱结构，导致外板增加，重量也会增加。这样 建造时就需要采用具有较高强度比的材料，如此经济性却随之降低。又由于船舶在使用过 程中还要考虑到其抗腐蚀性能，因此可能会以牺牲一定的强度作为代价。现阶段的气垫 船主要以铝合金作为结构材料，但采用铝合金板带来的问题相当明显，其过薄的厚度使 建造过程中的焊接成为极大问题，于是人们改用航空工艺中的钏钉抑接形式配以相应的胶 作为连接，这样一来导致建造费用的剧增使气垫船失去了综合价值。对于小型气垫船来说总纵强度方面引发的问题并不算突出，
12、由于船体尺寸 较小，高功率空气动力装置产生的高频震动分布较大，对结构的影响十分突出，这 点一直一来都是研究人员的关注问题，一般通过采用各种减振、隔振与振动检测报警系 统等方式进行控制。气垫船船体结构强度的计算对其使用及发展有着极其重要的意义。气垫船 结构强度计算的准确性首先决定了对于船用机械设备的选择与使用。其次，气垫船 在高速航行过程中常会出现船首底部出水及上浪等情况，会在船首底部区域产生砰击现 象。当波浪冲击船底时气垫船将产生较大的垂向加速度和总纵弯矩，引发严重破坏。 尤其当今气垫船技术的发展日渐加快，航速及性能不断提高的同时砰击造成的后果更加明 显。目前，大量国内外船舶的损伤报告显示，造
13、成船底局部结构失稳及破坏的主要原因 之一即为船体与水面及波浪上浪的砰击载荷，这种现象对于气垫船等具有较平坦底部 的特种船舶效果尤其明显。所以，在气垫船的设计过程中对于计算砰击载荷下的结构强 度已成为一项安5 6全审核标准。砰击往往是船舶减速的主要原因，根据衡准当船舶经过的100个波浪中，发生超过3次或以上砰击时,船长应主动减速避免发生局部结构屈曲甚 至破坏。因此，计算气垫船结构能否承受此类工况下的载荷将直接影响到气垫船的 使用和从内河向海洋的过渡。由此可见，气垫船的结构强度的计算和研究对于其发展起着至关重要的作用。在计算气垫船总纵强度和局部强度的过程中，如果仅仅采用传统梁理论这 种简化的近似计
14、算是不足以证明整体结构强度满足规范要求的。所以我们通过有 限元软件做全船建模，应用直接计算法对其进行全面的分析，得到船体变形及应力分布, 与规范中的强度标准作对比。这种方法能全面的考虑到构件间的相互影响作用，得到较 为准确的结果。目前应用较为普遍的有限元计算软件包括MSC. PATRANNASTRAN , ANSYS ,5哈尔滨工程大学硕士学位论文ADINA , SAP等。本文计算所采用的MSC. PATRAN在我国各大高校，船舶研 究所，及国内外船级社均被广泛使用。1.2国内外研究现状气垫船结构研究现状现阶段气垫船结构国内外的发展趋势如下：1. 由于目前国内外气垫船结构以采用航空工艺的螺栓钏
15、接形式连接为主,学位授予单位：哈尔滨工程大学Classified Index:U. D.C:A Dissertation for the Degree of M. EngHovercraft Structure Strength Finite ElementResearchQu PengCandidate:Supervisor: Prof. Tong FushanAcademic Degree Applied for: Master of EngineeringSpecialty: Design and Building ofShip and Ocean StructureDate of Submission: Jan. 2013Date of Oral Examination: Mar. 2013University: Harbin Engineering University 哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成 的。
