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摘要：针对某内河双体船的连接桥强度，应用大型通用有限元分析软件ANSYS进行了分析计算，对双体船计算模型的建立、加载方式以及边界条件等进行了讨论，获得了全船应力分布规律，着重分析了连接桥部位的构件。
关键词：双体船；连接桥；有限元分析
引言：
船舶的结构设计一般是采用规范设计和直接计算两种方法来完成。由于船舶尺度的增大以及新船型的开发，世界各国的船级社都在即先进科学又合理可靠的新设计方法，因此船舶结构强度直接计算法的应用日趋广泛。双体船因其宽阔、稳定、灵活的优点备受中外推崇，成为近年来正在崛起的一种新船型。但由于由于双体船载荷以及结构较复杂，使得双体船的结构分析远较单体船困难。中国船级社已颁布的《钢质内河船舶入级与建造规范》（2016）可用于双体船的结构设计，但对于船长大于60m或主尺度比超出规范的双体船、以及具有特殊用途或特殊结构形式或承受特殊载荷的双体船，需要校核有关船体结构的强度。
双体船与普通单体船相比，除了受到迎浪和随浪时引起的作用于船上的纵向弯曲力矩外，还有斜浪引起的巨大的扭矩，以及横浪引起的横向弯曲力矩。对于双体船来说，纵向强度不是主要问题。双体船结构强度的重点是，连接两片体的连接桥是否具有充分的横向强度和抗扭转强度。连接两片体的连接桥不仅要承受横向弯矩和扭矩，并且还要承受波浪对它的强烈拍击，而影响最大的是横向弯曲以及扭转力矩。为了评估双体船连接桥强度，需要对该部位进行强度校核。本文对一内河双体船，采用大型有限元分析软件ANSYS进行全船有限元建模，做应力、应变分析，以获取全船应力的分布规律，为双体船的连接桥结构优化提供依据。
1.数值算例
针对一艘钢质内河双体船实船进行结构强度有限元直接计算及分析。该船的主要要素如下：
船体采用纵骨架式结构形式，全船每隔1.5m设置强框架，对应抗扭箱内为横隔板。连接桥首尾贯通，抗扭箱设置于#6-#18以及#57-#65，其高度为600mm。
2计算模型
全船有限元计算模型包括了整个船体结构，如船体外板、纵横舱壁、甲板结构、连接桥、片体等构件。两片体结构可适当简化。
整体模型的单位：力为N，长度为mm，应力为N/mm2或MPa。
计算模型的坐标系统原点O位于Fr0船底中线处，X轴向船首为正方向，Y轴向左舷为正方向，Z轴向上为正方向。
在连接桥纵中剖面首尾端取A 点和B 点、在任一片体中横剖面舷侧处取C 点进行约束，在图中A 点约束x、y、z 三个方向的位移，即δx=δy=δz=0，在B 点约束y、z 方向的位移，即δy=δz=0，在C 点约束z方向的位移，即δz=0。
计算工况分别取为横向弯曲和扭转的两种情况。参照《钢质内河船舶建造规范》（2016）第1篇附录Ι，横向弯曲工况与扭转工况所施加载荷如下：
（1）Mbx（横向弯曲工况）；
（2）0.6Mbx+0.8Mty（扭转工况）
连接桥的总横弯矩Mbx可通过沿片体内侧舭部的系列节点上施加横向对开力等效。
横向对开力fy按下式计算：
其中 Mbx为连接桥总横弯矩；z 为横向对开力施加点至连接桥中纵剖面中和轴的垂向距离；n为单个片体施加横向对开力的节点总数。
双体船总横扭矩Mty可通过反对称分布在片体中纵剖面内的垂向均布力等效施加。所谓反对称分布是指垂向均布等效力即关于双体船中纵剖面反对称也关于中横剖面反对称。
等效的垂向分布载荷px由下式计算：
其中 L 为双体船船长；Mty为连接桥扭距；Δ 为双体船排水量；L 为船长。
3计算结果分析
对于双体船船体结构的分析、设计，最为重要的是连接桥结构的强度分析，因此本文主要针对连接桥结构的计算结果进行讨论分析。
计算结果中，板单元采用中面应力，梁单元采用轴向应力。
3.1 横向弯曲工况应力计算结果
相关计算应力分布见下图，左图为梁单元轴向应力，右图为板单元相当应力。
从横向弯曲工况下相当应力计算结果可知：
（1）双体船连接桥甲板上的应力较大，底封板上的应力较小，连接桥甲板开口角隅处
出现应力集中。连接桥甲板上的最大相当应力为55.49MPa。
（2）双体船抗扭箱端壁处横隔板处的剪切力较大，最大的相当应力为25.86Mpa。
（3）双体船连接桥靠近大开口处的甲板横梁轴向应力较大，为29.56 Mpa，其他位置的
梁结构的轴向应力较小。
3.2扭转工况应力计算结果
相关计算应力分布见下图，左图为梁单元轴向应力，右图为板单元相当应力。
从扭转工况下相当应力计算结果可知：
（1）双体船连接桥甲板在开口角隅处出现应力集中，首尾部封板處应力较大，其余位
置应力较小，连接桥结构的最大相当应力为119.58Mpa。
（2）双体船连接桥抗扭箱内横隔板处的相当应力较大，抗扭箱首尾封板与片体连接处
出现了应力集中。
（3）双体船连接桥中部甲板横梁轴向应力较大，为68.33Mpa，其他位置的梁结构的轴
向应力较小。
（4）双体船连接桥甲板大开口处剪切应力较大，最大剪切应力为46.94Mpa。
4结论
（1）横向弯曲工况下双体船连接桥甲板上的应力较大，底封板上的应力较小：其应力
分布的规律与扭转工况下的应力分布规律相似，即首尾部封板处应力较大，其余位置应力较小。
（2）双体船连接桥上的应力分布与片体结构的结构布置有很大的关系，片体横舱壁对
应处连接桥强桁材的应力很大，而远离片体横舱壁处连接桥强横梁的应力较小，说明连接桥结构的应力的大小与片体对应处的刚度有较显著的关系。
（3）双体船连接桥设有抗扭箱，且抗扭箱结构应力较大，连接桥抗扭箱横隔板与片体
结构连接处出现显著的应力集中现象，所以该处节点设计应给予足够的重视，可以将封板和横隔板插入片体内侧并与片体强框架或舱壁连接。
（4）由于双体船在扭转工况下，连接桥抗扭箱以及首尾部分是主要的抗扭结构，因此应确保连接桥在抗扭箱以及首尾部分结构的强度。
参考文献：
[1]朱珉虎.内河船舶设计手册[M].北京：中国标准出版社，1996：221-240.
[2]中国船级社. 钢制内河船舶建造规范（2016）
关键词：双体船；连接桥；有限元分析
引言：
船舶的结构设计一般是采用规范设计和直接计算两种方法来完成。由于船舶尺度的增大以及新船型的开发，世界各国的船级社都在即先进科学又合理可靠的新设计方法，因此船舶结构强度直接计算法的应用日趋广泛。双体船因其宽阔、稳定、灵活的优点备受中外推崇，成为近年来正在崛起的一种新船型。但由于由于双体船载荷以及结构较复杂，使得双体船的结构分析远较单体船困难。中国船级社已颁布的《钢质内河船舶入级与建造规范》（2016）可用于双体船的结构设计，但对于船长大于60m或主尺度比超出规范的双体船、以及具有特殊用途或特殊结构形式或承受特殊载荷的双体船，需要校核有关船体结构的强度。
双体船与普通单体船相比，除了受到迎浪和随浪时引起的作用于船上的纵向弯曲力矩外，还有斜浪引起的巨大的扭矩，以及横浪引起的横向弯曲力矩。对于双体船来说，纵向强度不是主要问题。双体船结构强度的重点是，连接两片体的连接桥是否具有充分的横向强度和抗扭转强度。连接两片体的连接桥不仅要承受横向弯矩和扭矩，并且还要承受波浪对它的强烈拍击，而影响最大的是横向弯曲以及扭转力矩。为了评估双体船连接桥强度，需要对该部位进行强度校核。本文对一内河双体船，采用大型有限元分析软件ANSYS进行全船有限元建模，做应力、应变分析，以获取全船应力的分布规律，为双体船的连接桥结构优化提供依据。
1.数值算例
针对一艘钢质内河双体船实船进行结构强度有限元直接计算及分析。该船的主要要素如下：
船体采用纵骨架式结构形式，全船每隔1.5m设置强框架，对应抗扭箱内为横隔板。连接桥首尾贯通，抗扭箱设置于#6-#18以及#57-#65，其高度为600mm。
2计算模型
全船有限元计算模型包括了整个船体结构，如船体外板、纵横舱壁、甲板结构、连接桥、片体等构件。两片体结构可适当简化。
整体模型的单位：力为N，长度为mm，应力为N/mm2或MPa。
计算模型的坐标系统原点O位于Fr0船底中线处，X轴向船首为正方向，Y轴向左舷为正方向，Z轴向上为正方向。
在连接桥纵中剖面首尾端取A 点和B 点、在任一片体中横剖面舷侧处取C 点进行约束，在图中A 点约束x、y、z 三个方向的位移，即δx=δy=δz=0，在B 点约束y、z 方向的位移，即δy=δz=0，在C 点约束z方向的位移，即δz=0。
计算工况分别取为横向弯曲和扭转的两种情况。参照《钢质内河船舶建造规范》（2016）第1篇附录Ι，横向弯曲工况与扭转工况所施加载荷如下：
（1）Mbx（横向弯曲工况）；
（2）0.6Mbx+0.8Mty（扭转工况）
连接桥的总横弯矩Mbx可通过沿片体内侧舭部的系列节点上施加横向对开力等效。
横向对开力fy按下式计算：
其中 Mbx为连接桥总横弯矩；z 为横向对开力施加点至连接桥中纵剖面中和轴的垂向距离；n为单个片体施加横向对开力的节点总数。
双体船总横扭矩Mty可通过反对称分布在片体中纵剖面内的垂向均布力等效施加。所谓反对称分布是指垂向均布等效力即关于双体船中纵剖面反对称也关于中横剖面反对称。
等效的垂向分布载荷px由下式计算：
其中 L 为双体船船长；Mty为连接桥扭距；Δ 为双体船排水量；L 为船长。
3计算结果分析
对于双体船船体结构的分析、设计，最为重要的是连接桥结构的强度分析，因此本文主要针对连接桥结构的计算结果进行讨论分析。
计算结果中，板单元采用中面应力，梁单元采用轴向应力。
3.1 横向弯曲工况应力计算结果
相关计算应力分布见下图，左图为梁单元轴向应力，右图为板单元相当应力。
从横向弯曲工况下相当应力计算结果可知：
（1）双体船连接桥甲板上的应力较大，底封板上的应力较小，连接桥甲板开口角隅处
出现应力集中。连接桥甲板上的最大相当应力为55.49MPa。
（2）双体船抗扭箱端壁处横隔板处的剪切力较大，最大的相当应力为25.86Mpa。
（3）双体船连接桥靠近大开口处的甲板横梁轴向应力较大，为29.56 Mpa，其他位置的
梁结构的轴向应力较小。
3.2扭转工况应力计算结果
相关计算应力分布见下图，左图为梁单元轴向应力，右图为板单元相当应力。
从扭转工况下相当应力计算结果可知：
（1）双体船连接桥甲板在开口角隅处出现应力集中，首尾部封板處应力较大，其余位
置应力较小，连接桥结构的最大相当应力为119.58Mpa。
（2）双体船连接桥抗扭箱内横隔板处的相当应力较大，抗扭箱首尾封板与片体连接处
出现了应力集中。
（3）双体船连接桥中部甲板横梁轴向应力较大，为68.33Mpa，其他位置的梁结构的轴
向应力较小。
（4）双体船连接桥甲板大开口处剪切应力较大，最大剪切应力为46.94Mpa。
4结论
（1）横向弯曲工况下双体船连接桥甲板上的应力较大，底封板上的应力较小：其应力
分布的规律与扭转工况下的应力分布规律相似，即首尾部封板处应力较大，其余位置应力较小。
（2）双体船连接桥上的应力分布与片体结构的结构布置有很大的关系，片体横舱壁对
应处连接桥强桁材的应力很大，而远离片体横舱壁处连接桥强横梁的应力较小，说明连接桥结构的应力的大小与片体对应处的刚度有较显著的关系。
（3）双体船连接桥设有抗扭箱，且抗扭箱结构应力较大，连接桥抗扭箱横隔板与片体
结构连接处出现显著的应力集中现象，所以该处节点设计应给予足够的重视，可以将封板和横隔板插入片体内侧并与片体强框架或舱壁连接。
（4）由于双体船在扭转工况下，连接桥抗扭箱以及首尾部分是主要的抗扭结构，因此应确保连接桥在抗扭箱以及首尾部分结构的强度。
参考文献：
[1]朱珉虎.内河船舶设计手册[M].北京：中国标准出版社，1996：221-240.
[2]中国船级社. 钢制内河船舶建造规范（2016）