柔性設(shè)計(jì)在汽車滾裝船上的應(yīng)用

郭 維

(江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

柔性設(shè)計(jì)在汽車滾裝船上的應(yīng)用

郭 維

(江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

以 4 000車位汽車滾裝船為例,探討了柔性設(shè)計(jì)在船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。通過對(duì)相關(guān)區(qū)域柔性設(shè)計(jì)的分析,特別是在裝載甲板區(qū)、疲勞區(qū)域和應(yīng)力集中點(diǎn)處的處理以及裝載區(qū)域甲板設(shè)計(jì)考慮等方面,與普通設(shè)計(jì)的對(duì)比,詳細(xì)說明了柔性設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工設(shè)計(jì)中的注意點(diǎn)。

柔性設(shè)計(jì);裝載甲板;疲勞區(qū)域;彈性變形

0 引言

汽車滾裝船具有建造難度高,科技附加值高的特性,目前國際航運(yùn)市場對(duì)滾裝船的需求很大。本文就最大可能在不影響該滾裝船安全航行的情況下,增加貨運(yùn)面積,降低營運(yùn)成本,并且在設(shè)計(jì)和建造過程中,充分理解這種設(shè)計(jì)理念,為縮短船舶建造周期,提高船舶建造質(zhì)量,提供一定的參考意見。

1 總體布置

本船總長 167.25 m,型寬 28 m,設(shè)計(jì)吃水 8 m,大約能裝載 4 200輛各類汽車。全船一共 12層甲板,其中包括 2層升降甲板,第 5層甲板為水密甲板并貫穿全船,并帶 1個(gè) 80 t的尾跳和 1個(gè) 20 t的側(cè)跳。此船為單支柱結(jié)構(gòu),甲板平整貫通,各層甲板之間用升降斜坡道連通,便于車輛通行,上層建筑位于船頭,裝載甲板面積較大。4 000車位汽車滾裝船總布置圖如圖1所示。

圖1 4 000車位汽車滾裝船總布置圖

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

柔性結(jié)構(gòu)是指能通過部分或全部具有柔性的構(gòu)件變形而產(chǎn)生位移的機(jī)械機(jī)構(gòu)。一個(gè)柔性結(jié)構(gòu)能夠傳遞或傳輸運(yùn)動(dòng)、力或能量。其最主要的特點(diǎn)就是可以從柔性構(gòu)件的變形獲得它們的可運(yùn)動(dòng)性,以防止結(jié)構(gòu)發(fā)生撕裂的危險(xiǎn)。柔性設(shè)計(jì)正是運(yùn)用了柔性結(jié)構(gòu)的這種特點(diǎn)來進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的,是對(duì)普通設(shè)計(jì)的一種揚(yáng)棄。本船中甲板橫梁的變形在一定的范圍以內(nèi),通過橫梁的彈性變形,在滿足強(qiáng)度要求的情況下,獲得 40～50 mm位移量。本船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的主要特點(diǎn)如下。

2.1 甲板強(qiáng)框的過渡

本船柔性設(shè)計(jì)出現(xiàn)在甲板 5以上區(qū)域,如圖2所示。

圖2 典型橫剖面圖

從圖2中可以看到,從上到下的舷側(cè)垂向強(qiáng)框支撐由小變大,此時(shí)在甲板 5處產(chǎn)生的拉應(yīng)力為最大,非常容易被撕裂,為了減小這種力帶來的損害,同時(shí)最大可能提高營運(yùn)面積,設(shè)計(jì)上采用了以下 2個(gè)措施:

(1)加肘板

加肘板是垂向強(qiáng)框處的主要連接方式?？紤]到汽車和船員的安全,肘板又不能太大,也為了焊接時(shí)不產(chǎn)生高的應(yīng)力點(diǎn),因此將肘板與強(qiáng)框做成一體,這樣可以解決肘板上下趾端的應(yīng)力。但對(duì)于肘板中間部分,仍將存在較大的應(yīng)力,這時(shí)也可以通過適當(dāng)加厚或加大肘板來控制它的受力。這樣,在甲板 5以上區(qū)域就不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)力結(jié)構(gòu),而且增加了貨運(yùn)面積,降低了營運(yùn)成本。

(2)增設(shè) Z向加厚板

普通鋼板在厚度方向是不能承受拉應(yīng)力的,非常容易被撕裂,因此在強(qiáng)框甲板 5端部增設(shè) Z向加厚板可以起到承受板厚方向拉力的作用,如圖3所示。甲板 5處的支柱受力非常大,因而此區(qū)域選用的板非常厚。在施工時(shí)要求板與板之間必須上下對(duì)齊,焊接打磨光滑。同時(shí)為了確保對(duì)齊,則需加厚甲板,如插入板,這樣受力后傳遞更好。

2.2 橫向結(jié)構(gòu)的連接

甲板 5以上的受力均由承擔(dān)橫向力的橫向結(jié)構(gòu)來承擔(dān),因此設(shè)計(jì)時(shí)不能出現(xiàn)應(yīng)力點(diǎn),結(jié)構(gòu)的連接形式應(yīng)特別注意。為了避免橫梁端部產(chǎn)生較大的彎矩,通常的做法就是加大橫梁 T型材。但對(duì)于P C T C船(純汽車卡車運(yùn)輸船)來說,這種方法在一定程度上減小了貨運(yùn)面積。因此,本船的做法就是讓舷側(cè) T型材與橫梁端部錯(cuò)位布置,其中又采用了縱、橫向扁鋼來傳遞受力。橫向結(jié)構(gòu)連接示意圖如圖4云線圈出處。

圖3 中縱剖面

圖4 橫向結(jié)構(gòu)連接示意圖

2.3 裝載甲板的設(shè)計(jì)

貨艙區(qū)裝載甲板設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的幾方面如下。

(1)確認(rèn)最小的甲板層高

在本船中,甲板所受垂向彎矩若沒有傳到舷側(cè)的 T型材,則受力的甲板橫梁尺寸盡可能大。甲板層高的固定有利于確定甲板橫梁的最大尺寸。

(2)固定甲板載荷

甲板載荷包括均衡載荷(U D L)和局部載荷。只有將甲板載荷固定,才能進(jìn)一步確認(rèn)甲板橫梁的尺寸。

(3)重車布置圖

裝載重車需要有重車布置圖,結(jié)構(gòu)加強(qiáng)及停車位置也必須按此圖布置。這種重車與甲板的接觸面積非常小,總噸位大,平均到每平方米的受力將超過U D L載荷。另外,甲板結(jié)構(gòu)加強(qiáng)與停車的方向有關(guān),因此應(yīng)該嚴(yán)格按照此圖來停車。

2.4 RORO設(shè)備

RORO設(shè)備(滾裝船設(shè)備)因所處的位置和工作環(huán)境極易生銹或被污染,再加上受力情況比較復(fù)雜,除受外在壓力外,還會(huì)因船體結(jié)構(gòu)變形或者船舶行駛過往中的振動(dòng),造成焊縫開裂或受力構(gòu)件變形而產(chǎn)生疲勞損壞,因此其主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)不能做得太強(qiáng),應(yīng)通過構(gòu)件的整體變形來獲得他們的可運(yùn)動(dòng)性,通過設(shè)置支撐墊塊,避免與船體結(jié)構(gòu)的直接接觸,減少疲勞區(qū)域。

門孔設(shè)計(jì)時(shí),除了增大門孔圓弧外,還須采用錯(cuò)位布置,即艙壁上開孔與門不在同一個(gè)平面。門孔節(jié)點(diǎn)圖如圖5所示。

圖5 門孔節(jié)點(diǎn)圖

3 施工設(shè)計(jì)

上述設(shè)計(jì)已在實(shí)船中得到充分體現(xiàn),只有深刻理解了這種設(shè)計(jì)意圖及方法,才能在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過程中,對(duì)某些結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行修改時(shí),將這種理念具體地、詳細(xì)地體現(xiàn)在整個(gè)設(shè)計(jì)中。

(1)在保證此船基本性能的同時(shí),不能將任意一處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得非常強(qiáng),以防止出現(xiàn)應(yīng)力點(diǎn)。

(2)甲板 5及以上的水密結(jié)構(gòu)非常重要,與滾裝設(shè)備的連接處需做測試。

(3)機(jī)艙煙道區(qū)域不要隨意開孔。機(jī)艙棚與甲板的連接處焊接后必須打磨光滑以消除應(yīng)力。

(4)艏部水線以下的區(qū)域受海水瞬時(shí)壓力較大,為防止碰撞,此區(qū)域面積應(yīng)增大;若此區(qū)域結(jié)構(gòu)不連續(xù)需要補(bǔ)全。

(5)艉部減輕孔的布置不恰當(dāng)會(huì)引起大的變形,要慎重考慮。

同時(shí),由于在進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí),是在理想狀態(tài)上進(jìn)行的,如焊角打磨光滑、焊縫整齊漂亮,因此在施工時(shí)應(yīng)特別注意保障疲勞區(qū)域的受力點(diǎn),一旦有任何閃失,是沒有機(jī)會(huì)補(bǔ)償?shù)摹Ｐ枰⒁獾钠趨^(qū)域?yàn)?機(jī)艙棚與甲板的連接處,甲板保持連續(xù),上下 T型材必須對(duì)齊;在機(jī)艙棚區(qū)域的開孔,應(yīng)適當(dāng)增大轉(zhuǎn)角處的半徑值;在防撞艙壁、支柱端部、橫梁與縱桁的連接處、甲板 5以上的橫艙壁、滾裝設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)的連接處及其他易發(fā)生撕裂的區(qū)域。

另外,在施工建造過程中對(duì)施工人員也提出了較高的要求,在焊接及打磨過程中應(yīng)當(dāng)注意這些疲勞區(qū)域,保證船舶建造質(zhì)量。

4 結(jié)語

柔性設(shè)計(jì)理念已經(jīng)越來越多地應(yīng)用在滾裝船上,如何更加合理、有效地運(yùn)用這種設(shè)計(jì),還有待作進(jìn)一步探索。同時(shí),在實(shí)船的生產(chǎn)設(shè)計(jì)和建造過程中,仍然還有很多需要大家去解決和處理的問題。

U674.13+5

B

2010-03-18

郭維(1976-),女,工程師,主要從事船體專業(yè)的施工設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)計(jì)工作。