摘 要

本文以32m玻璃钢客船为目标船型进行结构设计，主要开展了以下两方面的工作：

（1）船体结构规范设计。此部分工作主要依据《纤维增强塑料船建造规范》（2015）、《内河高速船入级与建造规范》（2016）和船舶行业标准，从而确定了该玻璃钢船的骨架形式，明确了各个构件的主要形式和尺寸，并且绘制出基本结构图、典型横剖面图、横舱壁结构图。

（2）全船总纵强度校核。此部分工作依据《内河高速船入级与建造规范》（2016）总纵强度校核方法进行。为了熟悉玻璃钢船的结构强度直接计算方法，运用有限元软件MSC.Patran建立了设计全船的有限元模型，运用MSC.Nastran对全船进行分析计算，并对总纵强度进行了校核。

本文详细介绍了32m玻璃钢客船船体的结构规范设计和有限元设计校核。分析结果表明：32m玻璃钢客船结构设计合理，总纵强度满足规范要求。

关键词：玻璃钢客船；结构规范设计；有限元分析；直接计算；强度校核

Abstract

In this paper, the structural design of the 32m FRP passenger ship as the target ship type, mainly carried out the following two aspects of the work:

(1) The hull structure specification design. This part of the work is mainly based on the "Fiber-reinforced plastic ship construction code" (2015), "Inner river high-speed ship classification and construction code" (2016) and the ship industry standards, to determine the skeleton form of the fiberglass ship, clear the various components of the The main form and size, and draw the basic structure diagram, typical cross-section diagram, transverse bulkhead structure diagram.

(2) Check the overall longitudinal strength of the ship. This part of the work is carried out in accordance with the method of checking the longitudinal strength of the "Code for the Classification and Classification of Inland High Speed ​​Vessels" (2016). In order to become familiar with the direct calculation method of the structural strength of fiberglass ships, the finite element software MSC.Patran was used to establish the design of the whole ship's finite element model, and the entire ship was analyzed and calculated using MSC.Nastran, and the longitudinal strength was checked.

This paper describes in detail the structural specification design and FEM design verification of the 32m FRP passenger ship hull. The analysis results show that the structural design of the 32m FRP passenger ship is reasonable, and the longitudinal strength meets the specification requirements.

Key words: FRP passenger ship; structural specification design; finite element analysis; direct calculation; strength check

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究工作 2

第2章 结构规范计算 3

2.1 概述 3

2.1.1 船体说明 3

2.1.2 设计依据 3

2.1.3 本船的主尺度 3

2.1.4 材料性能参数 3

2.1.5 结构形式说明 4

2.2 结构设计载荷计算 4

2.2.1 垂向加速度 4

2.2.2 船底波浪冲击压力 5

2.2.3 舷侧计算压力 5

2.2.4 主甲板计算压力 6

2.2.5 上甲板计算压力 6

2.2.6 客舱地台板计算压力 6

2.2.7 舱壁计算压力 6

2.2.8 上层建筑计算压力 6

2.3 结构计算 7

2.3.1 单板结构层板厚度的计算 7

2.3.2 夹层板板厚的计算 8

2.4 骨材计算 9

2.4.1 骨材的弯曲强度 9

2.4.2 骨材带板 9

2.4.3 骨材尺寸 10

2.5 窗 12

第3章 全船有限元总纵强度校核 14

3.1 前言 14

3.2 结构模型 14

3.2.1 模型范围 14

3.2.2 模型坐标系 14

3.2.3 单元网格 15

3.2.4 材料参数 15

3.2.5 边界条件 15

3.3 计算载荷及工况 16

3.3.1 中垂工况 16

3.3.2 中拱工况 17

3.4 校核结果 18

3.4.1 计算结果 18

3.4.2 应力云图 19

3.5 建模小结 32

第4章 总结 33

参考文献 34

附录 36

致 谢 37

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

复合材料因具备良好的抗腐蚀性能、轻质高强、可设计性以及透波性好、无磁性且抗风能力强，是非常理想的造船材料。虽然我国钢质客船的建造方法相对来说比较成熟，经过多年的发展，船体的稳定性和强度也得到很大程度的保证，然而，经过多年使用的钢质客船，船体由于腐蚀而逐渐老化。由于其非易腐性和美观等优点，玻璃钢船逐渐取代了风景区的钢质客船^[1]。玻璃钢客船具有快速和船体一次成型的特点。船体表面光滑，阻力小。与相同尺寸和马力的钢船相比，速度可以提高约0.5至1节。重要的是玻璃纤维客船具有良好的稳定性和较强的抗风能力。 玻璃钢的比例约为1.5-2.0，约为钢材的1/4。 玻璃钢艇的低重量重心加上比重的差异使得玻璃钢艇可以与同类型的钢船相媲美^[2-3]。在其他参数不变的情况下，与钢质船相比，玻璃钢船的横摇周期可比钢质船缩短2～3秒。在风浪中，它具有良好的起浮性和强大的恢复能力。相对而言，风阻增强，大大减少乘客在乘坐过程中的不适感。

1.2 国内外研究现状

国外复合材料船舰发展概况^[4-11]：由于复合材料性能特殊且优良，很多发达国家都已将此材料用于船舶方向。作为经济与军事并重的实力强劲大国，美国在复合材料方向上的研究更是首屈一指，并且早年间就已应用于船舶行业。上世纪中期，美国建造的第一艘复合材料船舶是当时玻璃钢艇的先例。一百年后美国海军就规定必须用复合材料制造舰艇，从而加速了玻璃钢船艇事业的进程并为后续的迅猛发展奠定了基础。之后不久，美国又利用了先进的科学技术成功研制了更为高精尖的复合材料玻璃钢艇。自此，美国已经将复合材料大量用于船舶行业且效果卓著。本世纪开始，美国更是加大了对复合材料的应用和开发研究，从而使建成的船舶舰艇拥有了更加优良的性能，不仅增强了速度与稳定性，而且具有了更加有效的实战防御功能。

当然，可以与美国军事实力相提并论的还有欧洲诸国。上世纪中期，英、法、意和瑞典等国在船舶业方向上也开始进行了复合材料的应用和研发。此后，美、英两国先后建成大型军事玻璃钢艇，因此欧洲也加入了建造此类舰艇的行列。几十年后，英国便建造出了刚度更强且更为轻便的复合材料舰艇；意大利凭借创新先进的技术，制造出了别具优良性能的复合材料游艇；瑞典在建成玻璃钢艇的基础上，又研制成功了具有其他优良性能及防御功能的玻璃钢艇，并且已成为复合材料舰艇的先驱。

日本作为亚洲经济实力雄厚的国家，在复合材料上的技术同样居于世界前列。从日本开始建造玻璃钢船起，仅十年时间更是飞速发展到建造各种类型及各种性能的玻璃钢艇。新世纪以来，日本便将复合材料用于军事方向，并投产了多种玻璃钢复合材料军事舰艇。

我国复合材料船艇的发展概况^[12-18]：虽然我国在复合材料方面的研究起步较晚，但却是直接应用于船舶工业。上世纪中后期分别在上海和北京研制成功的玻璃钢艇成为了我国将复合材料用于船舶行业的优秀先例，并引领着未来我国船舶行业的发展方向。十载磨砺，我国也已跻身军事技术强国，仅复合材料的舰艇就已多达百种，另外，复合材料制作的构件也接踵而至，近几十年的时间我国便使这项技术愈发成熟，产品更是纷繁涌现。与此同时，技术的发展更是提高了船舶舰艇的生产标准和入级要求，更是推进了我国在复合材料方面的工艺技术，从而让我国的军事实力在鳞次栉比的国家之中位居前沿。

在强度计算方面，因为玻璃钢船体的材料属性、边界约束和分布载荷等多方面的复杂性,并不能够查到足够的玻璃钢船体结构全船有限元直接计算方面的有很大参考性的内容，以下为其中一部分：多米松^[19]建立了复合材料巡逻艇结构的三维有限元模型,探讨了用有限元法对复合材料巡逻艇结构进行强度分析的方法。刘雪松^[20]在ANSYS软件中进行了玻璃钢客船的全船有限元建模,并利用该软件中的夹层材料模型模拟复合材料层合板及夹层板的结构形式 。

1.3 研究工作

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