關(guān)于汽車運(yùn)輸船剛性設(shè)計(jì)與柔性設(shè)計(jì)的強(qiáng)度比較分析

范德洪

（意大利船級(jí)社(中國(guó))有限公司 上海200052）

關(guān)于汽車運(yùn)輸船剛性設(shè)計(jì)與柔性設(shè)計(jì)的強(qiáng)度比較分析

范德洪

（意大利船級(jí)社(中國(guó))有限公司 上海200052）

在汽車運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)中，一般存在剛性設(shè)計(jì)和柔性設(shè)計(jì)這兩種思路。剛性設(shè)計(jì)較傳統(tǒng)，但近年來也有汽車運(yùn)輸船采用柔性設(shè)計(jì)的。文中以一艘5 000車的汽車運(yùn)輸船為例，分別進(jìn)行了剛性設(shè)計(jì)和柔性設(shè)計(jì)的艙段有限元分析，以比較兩種設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的特點(diǎn)，并對(duì)柔性設(shè)計(jì)的支柱與甲板強(qiáng)框相交處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)化和疲勞分析，為今后汽車運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

汽車運(yùn)輸船；剛性設(shè)計(jì)；柔性設(shè)計(jì)；疲勞分析

引 言

近年來，隨著汽車工業(yè)和汽車貿(mào)易的不斷發(fā)展，以汽車為運(yùn)輸對(duì)象的汽車滾裝船（PCTC）的市場(chǎng)需求也在不斷增加，向著速度更高、裝載量更大、性能更完善的方向發(fā)展［5］。船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直是PCTC的技術(shù)難點(diǎn)。由于PCTC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有多層貫穿全船的車輛甲板，故其重心位置一般比較高，橫向撓曲強(qiáng)度成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。現(xiàn)實(shí)中，PCTC船設(shè)計(jì)通常有剛性設(shè)計(jì)和柔性設(shè)計(jì)兩種思路，而且各具特點(diǎn)。本文以一艘5 000車的PCTC為例，分別將采用剛性設(shè)計(jì)和柔性設(shè)計(jì)的船體結(jié)構(gòu)在橫向撓曲工況下進(jìn)行艙段有限元分析，以便了解兩種設(shè)計(jì)對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

1 剛性設(shè)計(jì)和柔性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

PCTC船的車輛甲板層數(shù)多，且大部分連續(xù)甲板位于干舷甲板。當(dāng)船舶受到波浪的作用而產(chǎn)生橫搖時(shí)，左右舷水壓因不對(duì)稱而產(chǎn)生較大的橫向彎矩，且所裝載車輛的質(zhì)量和因橫搖而產(chǎn)生并作用于汽車上的慣性力最終都將作用于船體結(jié)構(gòu)，從而形成非對(duì)稱載荷。在剪切效應(yīng)作用下，PCTC船的橫向強(qiáng)框架會(huì)發(fā)生歪斜，使得上半部分區(qū)域的船體相對(duì)下面船體發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生撓曲變形。由此可見，PCTC船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的橫向撓曲強(qiáng)度是否得到妥善解決是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中十分關(guān)鍵的問題［6］。

傳統(tǒng)的剛性設(shè)計(jì)是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用傳統(tǒng)的船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)原理和方式來解決PCTC船的橫向撓曲強(qiáng)度問題。通過在干舷甲板上下設(shè)置半橫艙壁和全橫艙壁與強(qiáng)肋骨、甲板強(qiáng)橫梁共同組成橫向防撓曲框架，來解決橫向撓曲強(qiáng)度問題［6］。本文所研究的5 000車PCTC剛性設(shè)計(jì)的中剖面如圖1所示。

圖1 剛性設(shè)計(jì)中剖面圖

柔性設(shè)計(jì)最早由挪威船級(jí)社提出，并逐步發(fā)展完善。其基本理念是允許橫向框架發(fā)生橫向位移，以減少構(gòu)件端部的應(yīng)力水平。各層車輛甲板的橫向強(qiáng)橫梁與舷側(cè)的強(qiáng)肋骨不直接相連，而是通過具有柔性變形的縱向構(gòu)件交錯(cuò)相連共同組成一個(gè)鉸鏈?zhǔn)降墓?jié)點(diǎn)［6］。此縱向構(gòu)件一般為扁鋼，自由邊不需加強(qiáng)，高度方向尺寸較大，能承受較大的扭曲變形而不損壞自身結(jié)構(gòu)及兩端的連接節(jié)點(diǎn)。甲板強(qiáng)橫梁與舷側(cè)結(jié)構(gòu)的一般連接如圖2所示。

圖2 甲板橫梁與舷側(cè)構(gòu)件的連接

柔性設(shè)計(jì)不足之處在于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的焊接要求為全焊透、要求100%探傷，施工難度較大［5］。文中的5 000車PCTC柔性設(shè)計(jì)的中剖面如下頁圖3所示。

2 意大利船級(jí)社的規(guī)范要求

由于橫向撓曲強(qiáng)度對(duì)于PCTC船至關(guān)重要，同時(shí)為了研究剛性設(shè)計(jì)和柔性設(shè)計(jì)對(duì)于PCTC船結(jié)構(gòu)的影響，本文根據(jù)意大利船級(jí)社海船規(guī)范和關(guān)于PCTC船結(jié)構(gòu)分析的指導(dǎo)性文件［1-2］，利用意大利船級(jí)社三維有限元計(jì)算軟件LH-3D，對(duì)一艘5 000車PCTC，在橫向撓曲工況下，進(jìn)行了艙段有限元分析。

2.1 艙段模型的范圍

艙段有限元模型的范圍包括縱向、橫向和垂向。

（1）縱向沿船長(zhǎng)包括兩個(gè)支柱之間的結(jié)構(gòu)，并沿船長(zhǎng)向前后各延伸最少一個(gè)半強(qiáng)框架。

（2）橫向包括整個(gè)船寬范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)。

（3）垂向從基線到最上層甲板的所有結(jié)構(gòu)。

5 000車PCTC的艙段有限元模型如圖4所示。

圖4 艙段有限元模型

2.2 邊界條件

根據(jù)意大利船級(jí)社海船規(guī)范（簡(jiǎn)稱RINA Rule）Pt.B Ch.7 App.1 3.6，模型的邊界條件如下所述：

（1）模型的尾端所有節(jié)點(diǎn)約束縱向和垂向的平動(dòng)自由度，以及所有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在首端獨(dú)立節(jié)點(diǎn)上施加彎矩和剪力來保證模型的平衡。

（2）模型的首端所有縱向連續(xù)構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)施加剛性連接，連接于位于彎曲中和軸的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)上，以使首端橫剖面在承受總縱彎曲時(shí)符合平斷面假設(shè)。

除了在模型首尾端部施加邊界條件外，由于橫浪工況下橫向載荷的作用，需要在首尾端添加彈簧單元來模擬端部船體結(jié)構(gòu)對(duì)艙段結(jié)構(gòu)橫向變形的約束。彈簧單元的剛度系數(shù)RD由式（1）求得。

式中：JD為帶舷側(cè)板的甲板平均橫截面的凈慣性矩，m4；AD為甲板板平均橫截面的凈面積，m2；Sa為舷側(cè)主要支撐構(gòu)件的間距，m；x為從模型長(zhǎng)度中間的橫剖面至甲板端部量得的縱向距離，m；LD為甲板長(zhǎng)度，m。

2.3 載荷和裝載工況

根據(jù)RINA Rule Pt.B Ch.5 Sec.5，模型所承受的靜水壓力如表1所示。

根據(jù)PCTC船結(jié)構(gòu)分析的指導(dǎo)性文件，由于本文研究的工況為橫向撓曲工況，波浪載荷和船體梁載荷均按照載荷工況“d ”來施加。

根據(jù)RINA Rule Pt.B Ch.7 App.2 4.3，船體梁載荷如表2所示。

橫浪狀態(tài)下的波浪壓力，根據(jù)RINA Rule Pt.B Ch.7 App.1，如表3所示。

表1 靜水壓力

表2 船體梁載荷

表3 橫浪狀態(tài)下的波浪壓力(載荷工況“d ”)

模型的裝載工況考慮滿載狀態(tài)，模型中的車輛載荷以均布載荷（UDL）的方式施加在各層甲板上。各層甲板的均布載荷如表4所示。

表4 甲板的車輛載荷UDLkN/m2

加載過后的艙段模型截面如圖5所示。

圖5 加載后的艙段模型截面

2.4 腐蝕增量

根據(jù)RINA Rule Pt.B Ch.7 App.2 3.1.2的要求，模型取凈厚度，考慮Pt.B Ch.4 Sec.2［1］規(guī)定的腐蝕增量。結(jié)構(gòu)單元的凈厚度屬性為總厚度減去0.5tc。

2.5 校核橫準(zhǔn)

根據(jù)RINA Rule Pt.B Ch.7 Sec.3 4.3，艙段模型主要支撐構(gòu)件的相當(dāng)應(yīng)力σVM和剪應(yīng)力τ12需滿足如下公式：

式中：Ry為材料的屈服應(yīng)力，取值235/k，k為材料系數(shù)；γR為阻抗因子，對(duì)于粗網(wǎng)格模型，取值1.2；γm為材料因子，取值1.02。

由于5 000車PCTC的船體結(jié)構(gòu)均采用高強(qiáng)度鋼，材料系數(shù)k=0.72，故校核衡準(zhǔn)如表5所示。

表5 結(jié)構(gòu)粗網(wǎng)格分析許用應(yīng)力N/mm2

3 艙段有限元分析結(jié)果

將局部載荷和船體梁載荷施加在艙段有限元模型上，經(jīng)過計(jì)算，應(yīng)力和變形云圖如圖6 — 圖13所示。變形/應(yīng)力云圖中的灰色部分為原始模型，彩色部分為變形以后的模型?？梢姡Ｐ鸵寻l(fā)生明顯的橫向位移。

圖6 剛性設(shè)計(jì)變形和Von Mises應(yīng)力云圖

圖7 柔性設(shè)計(jì)變形和Von Mises應(yīng)力云圖

圖8 剛性設(shè)計(jì)變形和剪應(yīng)力云圖

圖9 柔性設(shè)計(jì)變形和剪應(yīng)力云圖

圖10 性設(shè)計(jì)支柱變形和Von Mises應(yīng)力云圖

圖12 剛性設(shè)計(jì)橫向變形云圖

圖13 柔性設(shè)計(jì)橫向變形云圖

從計(jì)算結(jié)果的云圖可見，剛性設(shè)計(jì)總體上的應(yīng)力水平和變形均小于柔性設(shè)計(jì)。特別是柔性設(shè)計(jì)中支柱上的應(yīng)力水平比較高，這是設(shè)計(jì)中需要特別注意的問題。

4 柔性設(shè)計(jì)支柱細(xì)網(wǎng)格分析

由于在艙段粗網(wǎng)格模型分析中，柔性設(shè)計(jì)的支柱結(jié)構(gòu)應(yīng)力較高，需要進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格分析。分析的子模型為第三層和第五層重型車輛甲板的支柱結(jié)構(gòu)，子模型的網(wǎng)格大小約為50×50，子模型的邊界條件和載荷由意大利船級(jí)社三維有限元計(jì)算軟件LH-3D從艙段總體模型中自動(dòng)獲得。模型如圖14所示。

圖14 柔性設(shè)計(jì)支柱結(jié)構(gòu)子模型

細(xì)網(wǎng)格分析的校核衡準(zhǔn)為粗網(wǎng)格的校核衡準(zhǔn)乘以一個(gè)系數(shù)a=1.3，同時(shí)阻抗因子γR取值1.1［3］。故校核橫準(zhǔn)如表6所示。

表6 支柱結(jié)構(gòu)細(xì)網(wǎng)格分析許用應(yīng)力N/mm2

柔性設(shè)計(jì)支柱子模型的細(xì)網(wǎng)格分析結(jié)果如圖15和圖16所示。

圖15 支柱結(jié)構(gòu)細(xì)網(wǎng)格Von Mises應(yīng)力云圖

圖16 支柱結(jié)構(gòu)細(xì)網(wǎng)格剪應(yīng)力云圖

從細(xì)網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果可以看出，支柱的Von Mises應(yīng)力和剪應(yīng)力水平都超過了許用應(yīng)力。

5 柔性設(shè)計(jì)支柱疲勞分析

作為柔性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，支柱與甲板強(qiáng)框相交處結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度需要充分關(guān)注。

疲勞分析的規(guī)范要求參考意大利船級(jí)社鋼制海船規(guī)范Pt.B Ch.7 Sec.4，疲勞分析基于熱點(diǎn)隨時(shí)間變化引起的應(yīng)力范圍。隨時(shí)間變化的局部和整體載荷由載荷工況a、b、c、d，以及滿載和壓載的裝載工況得出。

5.1 疲勞分析的結(jié)構(gòu)模型

以第五層重型車輛甲板的支柱結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，疲勞分析的子模型如圖17和圖18所示。

圖17 精細(xì)網(wǎng)格支柱子模型圖

圖18 局部放大圖

子模型的邊界條件和載荷由意大利船級(jí)社三維有限元計(jì)算軟件LH-3D自動(dòng)從艙段總體模型中獲得。

熱點(diǎn)區(qū)域的精細(xì)網(wǎng)格大小為t×t，t為熱點(diǎn)周圍結(jié)構(gòu)凈板厚的最小值。

5.2 疲勞分析結(jié)果

熱點(diǎn)分析位置和分析得出的在各種載荷工況和裝載工況下的切口應(yīng)力范圍值如圖19和下頁圖20所示。 支柱節(jié)點(diǎn)的疲勞分析結(jié)果如下頁圖21所示。

圖19 熱點(diǎn)分析位置及切口應(yīng)力范圍1

圖20 熱點(diǎn)分析位置及切口應(yīng)力范圍2

圖21 支柱節(jié)點(diǎn)疲勞分析結(jié)果

從疲勞分析的結(jié)果可以看出，支柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中最嚴(yán)重處的疲勞壽命只有9年，無法滿足規(guī)范中25年疲勞壽命的要求。

6 結(jié) 論

鑒于大型汽車滾裝船的橫向撓曲強(qiáng)度十分關(guān)鍵，本文根據(jù)意大利船級(jí)社海船規(guī)范和有關(guān)PCTC船結(jié)構(gòu)分析的指導(dǎo)性文件，以一艘5 000車PCTC為研究對(duì)象，建立艙段有限元模型，并進(jìn)行橫向撓曲強(qiáng)度的直接計(jì)算。從粗網(wǎng)格分析結(jié)果來看，由于船體結(jié)構(gòu)均采用高強(qiáng)度鋼，兩種設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均可以滿足指導(dǎo)性文件和規(guī)范中校核衡準(zhǔn)的要求；而柔性設(shè)計(jì)由于其不同于剛性設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)形式，在支柱與甲板強(qiáng)框相交處的應(yīng)力水平更高，需作進(jìn)一步細(xì)網(wǎng)格分析和疲勞分析。

作為PCTC柔性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，支柱端部節(jié)點(diǎn)及尺寸設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)師和審圖師更加注意。支柱端部節(jié)點(diǎn)細(xì)網(wǎng)格分析的屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度很難滿足規(guī)范要求，文中的計(jì)算結(jié)果證明確實(shí)如此，特別是支柱節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命和規(guī)范要求相差很大。設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)這方面給予更高關(guān)注度。

在設(shè)計(jì)階段，柔性設(shè)計(jì)中的很多高應(yīng)力區(qū)域都需要進(jìn)行細(xì)化計(jì)算和疲勞分析；在建造階段，關(guān)鍵部位的焊接要求為全焊透，且100%探傷的施工要求很高［4］。因此，無論是設(shè)計(jì)方還是建造方，都面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

［1］RINA.Rules for the Classification of Ships 2015［S］.2015.

［2］RINA.Guideline for the Structural Verification of PCTC［S］.2010.

［3］RINA.Guide on complete ship model calculation of passenger ships［S］.2014.

［4］應(yīng)業(yè)炬， 柳向陽， 應(yīng)帥.PCTC典型結(jié)構(gòu)柔性設(shè)計(jì)與橫向強(qiáng)度分析［J］.造船技術(shù)， 2011（6）： 14-17.

［5］謝立新.2 000車位汽車滾裝船設(shè)計(jì)特點(diǎn)［J］.船舶設(shè)計(jì)通訊， 2010（2）： 3-8.

［6］張敏健.中大型汽車滾裝船設(shè)計(jì)［J］.上海造船， 2010（3）： 22-26.

Strength comparison between rigid deck design and hinged deck design about PCTC

FAN De-hong
(RINA Italy Classif cation Society (China) Co., Ltd., Shanghai 200052, China)

In the design of pure car and truck carrier (PCTC), there are two design concepts in general, the traditional rigid deck design and the hinged deck design that has been used recently.For a 5 000 cars carrier, it carries out the finite element analysis for the cabins designed by the two methods respectively to examine their characteristics of the structural strength.The structures at the intersections of the pillars and the deck webs which are design by the hinged deck design method are refined for the fatigue analysis.It will provide valuable references for the design of PCTCs in future.

PCTC ( pure car and truck carrier); rigid deck design; hinged deck design; fatigue analysis

U661.43

A

1001-9855（2016）06-0041-09

2016-07-28；

2016-09-25

范德洪（1966-），男，船舶部副經(jīng)理，新造船部經(jīng)理，研究方向：新造船的審查和管理。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.041