王 琦，張新福，吳立洋

(海軍研究院，北京 100161)

0 引 言

拼裝式直升機(jī)機(jī)庫(kù)用于加裝在戰(zhàn)時(shí)被動(dòng)員征用的集裝箱船等民用船舶上，在動(dòng)員民船搭載艦載直升機(jī)出海執(zhí)行任務(wù)時(shí)，為直升機(jī)提供船上的安全停放場(chǎng)所。機(jī)庫(kù)主體由上下3層、前后2列集裝箱壘成的機(jī)庫(kù)側(cè)壁、固定在側(cè)壁上的機(jī)庫(kù)頂板，以及機(jī)庫(kù)門(mén)、后墻、梯道等組成，機(jī)庫(kù)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。側(cè)壁上下層集裝箱之間，側(cè)壁集裝箱與機(jī)庫(kù)頂板之間用船用連接件拼裝在一起，在機(jī)庫(kù)外側(cè)利用花籃拉桿進(jìn)行斜拉綁扎，同時(shí)在集裝箱端面處增加垂直綁扎，以增加抗搖、抗風(fēng)能力。該機(jī)庫(kù)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于既要采用集裝箱拼裝式結(jié)構(gòu)[1]，以滿足在商用狀態(tài)的民船上快速加裝和拆卸的要求，又要滿足遠(yuǎn)海惡劣海況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求和風(fēng)雨密要求[2]。

圖1 機(jī)庫(kù)主體結(jié)構(gòu)Fig. 1 Main structure of hangar

艦船上一般較少應(yīng)用拼裝式結(jié)構(gòu)，常規(guī)的艦船機(jī)庫(kù)主要是固定式機(jī)庫(kù)，其結(jié)構(gòu)為船體上層建筑的一部分，在艦船建造時(shí)一并完成機(jī)庫(kù)建造，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析計(jì)算主要依據(jù)艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法[3]，而目前采用集裝箱拼裝技術(shù)形式的結(jié)構(gòu)物主要是陸上集裝箱建筑，國(guó)外已進(jìn)行了一些集裝箱模塊化建筑的力學(xué)性能研究[4-6]，但都針對(duì)陸地上使用環(huán)境，受力情況較簡(jiǎn)單，其抗搖、抗風(fēng)等標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)低于海上使用要求，目前針對(duì)船用臨時(shí)拼裝式機(jī)庫(kù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用海況的可參考的強(qiáng)度分析計(jì)算方法較少。經(jīng)過(guò)論證分析，研究提出拼裝式機(jī)庫(kù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和海上要求的機(jī)庫(kù)整體強(qiáng)度分析計(jì)算方法。

1 機(jī)庫(kù)受力分析

1.1 分析思路

機(jī)庫(kù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求能夠在海上經(jīng)受長(zhǎng)期橫搖22.5°、縱搖7.5°，能夠承受12級(jí)風(fēng)和強(qiáng)度0.96 kPa，密度95.8 kg/m3，積深102 cm的雪載荷。分析計(jì)算思路為通過(guò)計(jì)算求出橫、縱搖產(chǎn)生的橫向、縱向及垂向加速度值，疊加風(fēng)、雪等多種外力作用，采用有限元軟件建立結(jié)構(gòu)有限元模型并進(jìn)行分析，選擇極端工況加載邊界條件和載荷進(jìn)行計(jì)算，得到機(jī)庫(kù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值及位移，最終依據(jù)相關(guān)規(guī)范及所用材料強(qiáng)度評(píng)估機(jī)庫(kù)的強(qiáng)度與變形。依據(jù)的規(guī)范包括：

1）CCS《鋼制海船入級(jí)規(guī)范（2018版）》第2篇第7章：集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及集裝箱系固直接計(jì)算方法；

2）ISO 1496-1：2013《貨運(yùn)集裝箱系列：規(guī)范和試驗(yàn)第1部分：一般用途貨物集裝箱》。

1.2 受力分析

1）機(jī)庫(kù)所受的力包括由于船舶的橫搖、縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力，機(jī)庫(kù)結(jié)構(gòu)的重力，以及風(fēng)壓、雪載荷、系固力。

2）機(jī)庫(kù)側(cè)壁集裝箱近似于空箱，集裝箱上所受的力可分為Fx，F(xiàn)y及Fz三個(gè)分力，如圖2所示。其中ox為橫搖中心軸，F(xiàn)x，F(xiàn)y及Fz均作用在集裝箱的中心，即認(rèn)為集裝箱的重心位于箱的中心處，在系固計(jì)算中可接受集裝箱的重心位置位于箱高的45%處。

圖2 機(jī)庫(kù)側(cè)壁集裝箱受力Fig. 2 Force on side-wall container of hangar

2 受力計(jì)算

1）船只在橫搖縱搖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下慣性力計(jì)算

根據(jù)已知數(shù)據(jù)，船在波浪中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如表1所示。

最大橫搖共振時(shí)候，擾動(dòng)力的周期與船舶的搖擺周期一致[7]。船舶的橫搖方程式為：

表1 船只在波浪中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Tab. 1 The state of motion of the ship in waves

式中：φ為船舶最大橫傾角度；Tφ為船舶橫搖周期；εφ為相位差。

最大縱搖發(fā)生在共振時(shí)候，擾動(dòng)力的周期與船舶的搖擺周期一致。船舶的縱搖方程式為：

式中：θ為船舶最大縱傾角度；Tθ為船舶縱搖周期；εθ為相位差。

2）集裝箱系固計(jì)算

橫向加速度at計(jì)算如下：

式中：g為重力加速度，取9.81 m/s；bv為由縱搖和升沉引起的垂向運(yùn)動(dòng)的加速度，m/s；bh為由艏搖和橫蕩引起的橫向運(yùn)動(dòng)的加速度，m/s；φm為船舶最大橫搖角，°；z為集裝箱重心位置距基線高度，m；zROLL為船舶橫搖中心線距基線高度，m；z-zROLL為取10.7 m。

故at=6.19 m/s2。

垂向加速度av計(jì)算如下：

故av=12.168 0 m/s2。

縱向加速度al計(jì)算如下：

式中：g為重力加速度，取9.81 m/s；LBP為垂線間長(zhǎng)，m，為177 m。

故al=2.187 6 m/s2。

3）集裝箱所受風(fēng)載荷

強(qiáng)度滿足12級(jí)風(fēng)后不破壞，12級(jí)風(fēng)風(fēng)速取35 m/s，空氣密度取1.25 kg/m3，風(fēng)壓由貝努利方程計(jì)算[8]：

3 機(jī)庫(kù)有限元建模與分析

3.1 建立模型

采用船舶與海洋工程專業(yè)常用MSC.Patran有限元軟件建立結(jié)構(gòu)有限元模型[9]。由于梯道、機(jī)庫(kù)門(mén)、后墻均采用輕質(zhì)材料，相對(duì)機(jī)庫(kù)的總質(zhì)量占比很小，且不作為承力構(gòu)件，因此在建模時(shí)予以忽略。機(jī)庫(kù)前后部結(jié)構(gòu)和荷載相同，為簡(jiǎn)化計(jì)算對(duì)機(jī)庫(kù)采取一半建模[10]，分別建立了機(jī)庫(kù)側(cè)壁集裝箱、機(jī)庫(kù)頂板的有限元模型，其中機(jī)庫(kù)側(cè)壁由3層集裝箱連接組成，機(jī)庫(kù)頂板由鋁合金型材框架和表面鋁板組成。集裝箱面板、庫(kù)頂板面板等板材均采用四邊形和少量的三角形板殼元模擬，集裝箱框架以及庫(kù)頂板框架采用梁?jiǎn)卧M，整個(gè)模型共113 024個(gè)單元，有限元模型如圖3所示。其中組成機(jī)庫(kù)側(cè)壁的上下層集裝箱以4個(gè)角件通過(guò)連接件相固定，形成分析計(jì)算模型。

圖3 機(jī)庫(kù)有限元模型Fig. 3 Finite element model of the hangar

機(jī)庫(kù)頂板與集裝箱頂通過(guò)連接進(jìn)行緊固連接，在建模中通過(guò)MPC節(jié)點(diǎn)連接[11]，設(shè)置為位移與轉(zhuǎn)角關(guān)聯(lián)[12]，如圖4所示。

圖4 機(jī)庫(kù)頂板有限元模型Fig. 4 Finite element model of the hangar roof

3.2 有限元計(jì)算及結(jié)果分析

1）材料參數(shù)

機(jī)庫(kù)側(cè)壁集裝箱材料為耐候鋼，基本參數(shù)如下：

密度7 850 kg/m3；

屈服強(qiáng)度235 MPa；

彈性模量206 E/GPa；

泊松比0.3；

剪切模量80 E/GPa。

機(jī)庫(kù)頂板材料為鋁合金，基本參數(shù)如下：

密度2 700 kg/m3；

屈服強(qiáng)度195 MPa；

彈性模量45 E/GPa；

泊松比0.33；

剪切模量16.917 E/GPa。

綁扎器材彈性模量：

拉桿（綁扎到1層箱頂或2層箱底）14 000 kN/cm2；

拉桿（綁扎到2層箱頂或3層箱底）17 500 kN/cm2。

2）邊界條件

邊界條件設(shè)置如圖5所示。其中受力一側(cè)的拉桿以預(yù)應(yīng)拉力的方式加載在角件上，拉力0.8 t；風(fēng)壓以均布力加在右側(cè)集裝箱側(cè)壁上，如圖中右側(cè)部分，強(qiáng)度為0.766 kN/m2，方向垂直于集裝箱側(cè)壁；雪載以均布?jí)毫釉跈C(jī)庫(kù)頂板表面上以及最上層集裝箱的頂面上，垂直向下，強(qiáng)度為0.98 kN/m2。

圖5 模型邊界條件Fig. 5 The boundary conditions of the model

集裝箱底座約束如圖6（a）所示，1-4點(diǎn)3個(gè)方向位移約束如圖6（b）所示，底座5-8點(diǎn)垂向位移放松，僅約束縱向和橫向的位移如圖6（c）所示；受拉一側(cè)的拉桿在軟件計(jì)算中未加預(yù)緊力，在強(qiáng)度校核時(shí)再將其加上，拉桿連接方式為鉸接。

3）結(jié)果分析

對(duì)于板殼單元，通常以四邊形單元或三角形單元應(yīng)力中心點(diǎn)表面的最大合成應(yīng)力值（中面膜應(yīng)力和局部彎曲應(yīng)力的疊加后計(jì)算）作為判斷對(duì)象[13]；對(duì)于梁?jiǎn)卧?，則以梁?jiǎn)卧拭嫔献畲蠛铣蓱?yīng)力值作為判斷對(duì)象[14]。合成應(yīng)力值為按下式[15]計(jì)算所得的合成應(yīng)力（Von Mises合成應(yīng)力）：

圖6 集裝箱底座約束和固定方式Fig. 6 Base constraints and fixing methods of container

式中：σx為單元平面沿x方向的合成應(yīng)力；σy為單元平面沿y方向的合成應(yīng)力；τxy為單元平面x，y方向的合成剪應(yīng)力。

采用MSC.Patran有限元軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并進(jìn)行強(qiáng)度校核，分析計(jì)算應(yīng)力云圖如圖7所示。其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)壁集裝箱頂部的縱框架上，如圖8所示。最大應(yīng)力為174 MPa。側(cè)壁集裝箱材料屈服強(qiáng)度為235 MPa，機(jī)庫(kù)側(cè)壁結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

圖7 機(jī)庫(kù)應(yīng)力云圖Fig. 7 Stress nephogram of the the hangar

圖8 機(jī)庫(kù)應(yīng)力最大處Fig. 8 Location of maximum stress in hangar

機(jī)庫(kù)頂板與側(cè)壁頂部的連接通過(guò)MPC節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，主要受機(jī)庫(kù)頂板與側(cè)壁節(jié)點(diǎn)連接集中力的影響，機(jī)庫(kù)頂板的應(yīng)力云圖如圖9所示。最大應(yīng)力為12.6 MPa，頂板鋁合金材料屈服強(qiáng)度為240 MPa，機(jī)庫(kù)頂板滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

圖9 機(jī)庫(kù)頂板應(yīng)力云圖Fig. 9 Stress nephogram of the hangar roof

拉桿的應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果如圖10和表2所示，最大應(yīng)力為28.9 MPa。拉桿的預(yù)緊力為0.8 t，拉桿直徑為25 mm，橫截面積為490.625 mm2，故拉桿最大拉力為22.02 kN。

根據(jù)《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》，對(duì)集裝箱無(wú)論采用何種系固方式，作用在集裝箱上的力均應(yīng)不超過(guò)集裝箱的許用負(fù)荷。符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）標(biāo)準(zhǔn)系列的集裝箱許用負(fù)荷如下：

圖10 綁扎桿應(yīng)力云圖Fig. 10 Stress nephogram of the lashing bars

表2 拉桿應(yīng)力值

1）作用于角件上的綁扎力：端壁或側(cè)壁上的水平分力應(yīng)不超過(guò)150 kN；

2）端壁或側(cè)壁上的垂直分力：應(yīng)不超過(guò)300 kN；

3）角件上水平分力和垂直分力的合力：應(yīng)不超過(guò)300 kN。

機(jī)庫(kù)集裝箱拉桿總拉力最大值為22.02 kN，故角件滿足綁扎力強(qiáng)度要求。

采用有限元軟件分析計(jì)算機(jī)庫(kù)結(jié)構(gòu)的整體變形圖，結(jié)果如圖11所示。

圖11 機(jī)庫(kù)位移云圖Fig. 11 Displace nephogram of the hangar

機(jī)庫(kù)最大變形出現(xiàn)在機(jī)庫(kù)頂板上平面中心處，變形量為33.0 mm，此變形為彈性變形，不影響其機(jī)庫(kù)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及風(fēng)雨密性。

機(jī)庫(kù)側(cè)壁頂部位移云圖如圖12所示。由風(fēng)載荷及橫向慣性力產(chǎn)生最大位移為4.52 mm，位于左側(cè)集裝箱角柱頂部，不影響其機(jī)庫(kù)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及風(fēng)雨密性。

圖12 側(cè)壁頂部位移云圖Fig. 12 Displace nephogram of the top of lateral wall

機(jī)庫(kù)側(cè)壁框架位移云圖，如圖13所示。最大位移為5.51 mm。

拉桿的變形如圖14所示，位移值如表3所示。最大變形量為2.78 mm。

機(jī)庫(kù)為滿足風(fēng)雨密要求，上、下層集裝箱之間加裝密封材料，取上2層集裝箱密封處進(jìn)行位移分析，該位置的位移云圖如圖15所示。密封墊處上、下層集裝箱最大位移分別為4.24 mm，2.81 mm，相對(duì)位移為1.4 mm，在密封結(jié)構(gòu)允許位移范圍內(nèi)，不影響集裝箱之間風(fēng)雨密性。

圖13 側(cè)壁框架位移云圖Fig. 13 Displacement nephogram of the frame of side-wall

圖14 拉桿與集裝箱連接點(diǎn)位移云圖Fig. 14 Displace nephogram of the connecting point of container and tie rod

表3 拉桿與集裝箱連接點(diǎn)位移值

圖15 上下層集裝箱連接處位移云圖Fig. 15 Displace nephogram of the connecting point of upper and lower containers

4 結(jié) 語(yǔ)

本文首先對(duì)機(jī)庫(kù)進(jìn)行受力分析，再建立機(jī)庫(kù)有限元模型并計(jì)算，得到機(jī)庫(kù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，以及變形和位移量，最終依據(jù)相關(guān)規(guī)范及所用材料強(qiáng)度評(píng)估機(jī)庫(kù)的強(qiáng)度與變形是否滿足要求，所述的強(qiáng)度分析計(jì)算方法，對(duì)船舶上加裝的拼裝式結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算具有參考作用。根據(jù)上述分析計(jì)算過(guò)程得到的結(jié)果，可以得知拼裝結(jié)構(gòu)是否滿足海上工況下的強(qiáng)度和變形量要求，若計(jì)算的結(jié)果不滿足要求，可采取相應(yīng)的措施改進(jìn)設(shè)計(jì)。例如，極端受力情況下機(jī)庫(kù)側(cè)壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足時(shí)，應(yīng)采用強(qiáng)度更高材料制造的集裝箱壘成側(cè)壁；極端受力情況下機(jī)庫(kù)頂板上出現(xiàn)的最大變形量過(guò)大時(shí)，需要對(duì)頂板進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。