高速三体船结构轻型化设计研究

论文摘要

高速三体船是近年新开发出来的一种高性能船舶,与常规船型相比,其航行阻力小,具有良好的快速性和适航性,并具有广阔的主甲板空间。高速三体船用作军船还有防护能力好、破损稳性好、利于武器系统分散布置和利于直升机操作以及隐蔽性好等特点,由于这些优势,高速三体船在军舰和民用船舶等领域具有十分广阔的发展前景。国内外对高速三体船的研究也十分投入,内容主要集中在水动力理论、模型试验和概念设计等方面,关于三体船的结构设计研究还比较少。在高速三体船的结构设计时,由于其特殊复杂的船体结构形式,必将承受较大的横向波浪弯矩和扭转力矩,为保证其刚度和强度,就必须加大构件尺寸,致使总体重量大为增加。然而,不管哪种类型的高速船,对自身的重量都非常敏感。如何解决减轻自重与保证船体刚度与强度之间的矛盾,已成为高速三体船设计中急需解决的重要问题之一。三体船结构中最重要的是连接桥结构,本文主要从两个方面对连接桥进行结构轻型化设计研究,即建造材料的轻型化和结构形式的轻型化。本文首先对三种轻型船舶建造材料进行了介绍,然后对三体船连接桥承受的载荷类型进行了分析,确定了三种主要载荷。在优选三体船连接桥的结构形式时,本文按照规范设计了横骨架式、纵骨架式和密加筋骨架式三种板架结构模型,并分别研究了其在三种载荷工况下的应力及响应特点,通过对比分析确定了较优的连接桥结构形式。本文对三体船连接桥区域的立体舱段进行了结构初步设计,其中连接桥结构分别以铝合金和高强度钢作为建造材料而设计了两个模型,对比了这两个模型的重量,并对这两个模型在三种载荷工况下的应力特点进行了有限元计算,最后分析和总结了合金铝质连接桥结构在各载荷工况下的应力分布特点。最后根据连接桥区域的应力分布特点,对连接桥与主船体及侧船体连接处的结构形式进行了局部优化,设计了三种连接结构模型,并对这三种模型在三种载荷工况下的应力特点进行了计算和对比分析研究,得出了相关结论,可为今后三体船的结构设计提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的目的和意义
• 1.2 三体船的特点
• 1.3 三体船的发展概况
• 1.4 当前国内外三体船研究现状分析
• 1.5 本论文的主要工作
• 第2章 三体船建造材料轻型化研究
• 2.1 引言
• 2.2 复合材料在船舶建造中的应用
• 2.2.1 复合材料的特性
• 2.2.2 FRP/CM在船艇中的应用现状
• 2.3 铝合金在船舶建造中的应用
• 2.3.1 引言
• 2.3.2 船用铝合金的发展
• 2.3.3 船用铝合金的特点与应用
• 2.3.4 铝制多体船结构极限强度研究
• 2.4 高强度钢在船舶建造中的应用
• 2.4.1 引言
• 2.4.2 高强度钢的特性
• 2.4.3 高强度钢的应用概况
• 2.5 三体船连接桥的载荷特点
• 2.5.1 纵向弯矩
• 2.5.2 横向弯矩
• 2.5.3 扭矩
• 2.5.4 局部载荷—砰击载荷
• 2.6 本章小结
• 第3章 连接桥结构型式轻型化设计
• 3.1 引言
• 3.2 三种结构型式板架模型分析
• 3.2.1 有限元软件 ANSYS简介
• 3.2.2 有限元模型分析
• 3.2.3 结论
• 3.3 横向弯矩和扭转强度对比分析
• 3.3.1 载荷及边界条件
• 3.3.2 计算结果
• 3.3.3 结论与分析
• 3.4 砰击强度对比分析
• 3.4.1 瞬态动力响应分析的基本理论
• 3.4.2 瞬态分析的关键技术细节
• 3.4.3 瞬态动力响应分析参数确定
• 3.4.4 节点位移响应比较
• 3.4.5 Von Mises应力比较
• 3.4.6 结论与分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 连接桥结构初步设计及有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 三体船结构初步设计
• 4.2.1 结构型式及构件尺寸的确定
• 4.2.2 结构材料选取
• 4.3 三体船连接桥结构有限元计算
• 4.3.1 三维有限元模型
• 4.3.2 计算工况及载荷
• 4.3.3 计算结果
• 4.4 有限元计算结果的定性分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 连接桥结构局部优化设计研究
• 5.1 引言
• 5.2 优化模型
• 5.3 计算结果与分析
• 5.3.1 模型Ⅰ计算结果
• 5.3.2 模型Ⅱ计算结果
• 5.3.3 模型Ⅲ计算结果
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 进一步研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文