380t舵葉安裝平臺(tái)有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

焦玲玲，盛利賢，李 欣

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

近年來，船舶日益朝著大型化方向發(fā)展，一些大型船舶的舵葉質(zhì)量已超過300t。上海外高橋造船有限公司（以下簡稱“外高橋造船”）承接的 40萬載重噸礦砂船選配的半懸掛舵的舵葉尺寸（高×寬×厚）為16.55m×10.60m×2.40m，舵葉本體（包括舵桿、上舵承等部件）總質(zhì)量約為380t。

船舶的舵葉通常安裝在艉部，受艉部結(jié)構(gòu)的限制，安裝空間較小，無法利用船廠現(xiàn)有的起重設(shè)備進(jìn)行安裝。為提高智能化造船水平，滿足大型船舶舵葉安裝的需求，外高橋造船研制了380t舵葉安裝平臺(tái)（以下簡稱“安裝平臺(tái)”）。

1 總體概述

安裝平臺(tái)用于舵葉的安裝，其最大設(shè)計(jì)頂升能力達(dá)到380t（不含平臺(tái)自重），額定承載能力為640t。安裝平臺(tái)頂升精度可控制在2mm以內(nèi)，采用主控制臺(tái)和遙控控制臺(tái)進(jìn)行操作，可實(shí)現(xiàn)平緩的啟停動(dòng)作。通過使用該安裝平臺(tái)，可顯著提高生產(chǎn)效率、施工質(zhì)量和作業(yè)的安全性。

安裝平臺(tái)的鋼結(jié)構(gòu)主要由2部分組成，其中：下部是主車架，負(fù)責(zé)安裝平臺(tái)的頂升和行走；上部是固定工作架（左右各1套），通過橫移油缸及滑道裝置打開和合攏，起到夾緊舵葉的作用。安裝平臺(tái)配置有液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)和滑移機(jī)構(gòu)等裝置，其總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 380t舵葉安裝平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

2 有限元模型的建立

采用有限元分析軟件MSC.PATRAN & NASTRAN，通過建模和加載，分別對(duì)主車架4組支撐腿與主車架連接結(jié)構(gòu)和4組支撐腿結(jié)構(gòu)的端蓋受力、主車架底座變形及受力情況進(jìn)行有限元分析。通過模擬分析平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的承載能力和變形情況，對(duì)幾種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，提出最優(yōu)的解決方案，在保證平臺(tái)變形量在合理范圍內(nèi)的前提下，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

2.1 有限元模型的范圍

安裝平臺(tái)的頂升動(dòng)作依靠安裝在 4組支撐腿里的主頂升油缸完成，頂升力通過支撐腿的端蓋板傳遞到主車架上。

固定工作架起夾緊固定、配合安裝的作用，同時(shí)施工人員能在固定架上進(jìn)行觀察和定位。由于固定工作架不受力，不再對(duì)其進(jìn)行有限元建模。箱梁和工字梁腹板上有一些用于穿電纜和液壓管的開孔，這些孔只影響腹板的局部受力，對(duì)主車架的整體受力和變形沒有影響，因此也不對(duì)其進(jìn)行有限元建模。若需判斷高應(yīng)力集中區(qū)域的開孔對(duì)應(yīng)力增加或應(yīng)力集中的影響程度，需在有限元模型中將該區(qū)域的開孔考慮進(jìn)去。

2.2 單元類型和尺寸

為最大限度地模擬安裝平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用過程中的應(yīng)力和變形，并正確反映鋼結(jié)構(gòu)各構(gòu)件之間的相對(duì)位置，采用“以板厚中心線為理論線”的定位基準(zhǔn)建立有限元分析模型。主車架鋼結(jié)構(gòu)均采用板單元和桿單元模擬，網(wǎng)格大小設(shè)定為150mm×150mm。

2.3 材料屬性

主車架鋼結(jié)構(gòu)采用碳鋼，密度為7.85×10-6kg/mm3，楊氏模量E=206000MPa，泊松比取0.3。

2.4 邊界條件

液壓頂升油缸為支撐腿主體結(jié)構(gòu)端蓋板的自由支持端[1]，又稱鉸支端或簡支端，不允許頂撐板發(fā)生撓度（位移），對(duì)頂撐板的轉(zhuǎn)動(dòng)無限制。

2.5 計(jì)算工況和載荷

主車架主要受到2個(gè)外力的作用，即舵葉的重力和固定工作架的重力。平臺(tái)最上層采用厚度為40mm的鋼板作為工作面和支撐面，舵葉和固定工作架的重力作用在該鋼板上，通過鋼板將力均布傳遞到主車架上。本文將主車架的受力簡化為均等的集中力，忽略鋼板的傳遞作用，結(jié)合主車架的具體結(jié)構(gòu)形式定義相應(yīng)的載荷點(diǎn)。舵葉及其附件的總質(zhì)量約為380t，定義10個(gè)載荷點(diǎn)，每個(gè)重38t；固定工作架左右各1套，每套重約30t，定義6個(gè)載荷點(diǎn)，每個(gè)重5t。

主車架的計(jì)算工況主要分為工作工況和非工作工況。

1) 工作工況下主車架主要受舵葉和固定工作架的重力作用，此時(shí)固定架橫移油缸和滑道對(duì)主車架的側(cè)向力較小，對(duì)主車架的應(yīng)力和變形影響較小。此外，夾緊油缸對(duì)舵葉的側(cè)向力兩側(cè)抵消，可忽略。

2) 非工作工況下主車架受到的外力僅為固定工作架的重力，主車架受力和變形的嚴(yán)重程度小于工作工況。

由此，取工作工況為計(jì)算工況。

2.6 設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的變形容許值的規(guī)定[2]，并參照A.1.1受彎構(gòu)件撓度容許值，有重軌（質(zhì)量大于等于38kg/m）軌道的工作平臺(tái)梁的撓度容許值的計(jì)算式為

式(1)中：VT為撓度容許值；l為長度或跨度。取可得

3 初步方案對(duì)比分析

3.1 方案介紹

為分析主車架鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形量對(duì)板厚的敏感性，同時(shí)對(duì)最大應(yīng)力和最大變形出現(xiàn)的位置進(jìn)行判斷，設(shè)定現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案為原始方案。在該方案中，主車架箱梁和橫梁的面板厚度均為 40mm，腹板厚度均為30mm，工字梁的尺寸按照GB11263—1998熱軋H型鋼[3]相應(yīng)尺寸求取。此外，將主車架鋼結(jié)構(gòu)各箱梁和工字梁厚度均為40mm的方案設(shè)定為方案A；將主車架鋼結(jié)構(gòu)各箱梁和工字梁厚度均為60mm的方案設(shè)定為方案B；將主車架鋼結(jié)構(gòu)各箱梁和工字梁厚度均為80mm的方案設(shè)定為方案C，并對(duì)4個(gè)方案進(jìn)行比較。

3.2 初步結(jié)果對(duì)比

若主車架鋼結(jié)構(gòu)采用碳鋼，則A級(jí)鋼材對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度σs=235MPa，其他等級(jí)鋼材對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度見表1。應(yīng)力對(duì)比以最大Von Mises應(yīng)力（即基于剪切應(yīng)變能的一種等效屈服應(yīng)力）σmax為準(zhǔn)，同時(shí)取安全系數(shù)為σs/σmax，對(duì)相應(yīng)方案的主車架的鋼材總質(zhì)量進(jìn)行比較，由于方案C的主車架質(zhì)量增加超過100t，已不符合工程設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性要求，因此僅參考方案C的應(yīng)力和變形情況。

表1 4種方案對(duì)比

通過比較，初步得出以下結(jié)論：

1) 主車架的最大Von Mises應(yīng)力均小于材料自身的屈服應(yīng)力，且余量較大。

2) 支撐腿主體結(jié)構(gòu)與主車架連接結(jié)構(gòu)處的最大Von Mises應(yīng)力和支撐腿主體結(jié)構(gòu)端蓋受力均滿足材料屈服要求。

3) 主車架采用箱型梁結(jié)構(gòu)，外圍變形較小，中心變形最大；隨著板厚的增加，Von Mises應(yīng)力減小變慢，變形量減小的趨勢(shì)逐漸不明顯；在結(jié)構(gòu)既定的情況下，增加板厚不是提高結(jié)構(gòu)承載能力的唯一辦法，還需考慮適當(dāng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

4) 方案A在原始方案的基礎(chǔ)上增重7.51t，方案B在原始方案的基礎(chǔ)上增重30.92t，增重近50%，在工程上已不能保證經(jīng)濟(jì)性。顯然，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量越大，其穩(wěn)定性越好，變形量越小，但質(zhì)量過大對(duì)主頂升油缸的作業(yè)能力將提出更高要求，產(chǎn)品生產(chǎn)成本會(huì)相應(yīng)增加，因此需在結(jié)構(gòu)的變形量、穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)質(zhì)量之間尋求一種平衡。

5) 當(dāng)主車架板厚均為80mm，中心最大變形量為2.98mm，滑道邊緣變形量為2.33mm時(shí)，滿足3.258mm的設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)值要求。此時(shí)對(duì)箱型梁結(jié)構(gòu)變形量進(jìn)行控制主要是為了保證工作架在橫移滑道上正常移位。此外，橫移滑道布置在箱型梁的兩側(cè)使其受箱型梁變形的影響較小，且項(xiàng)目采用滑道型式（平面接觸），不會(huì)因底座變形而影響橫移滑道的動(dòng)作, 因此參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的具體內(nèi)容, 當(dāng)有其他特殊要求時(shí)或按以往經(jīng)驗(yàn)，可根據(jù)“不影響正常使用和觀感”的原則適當(dāng)調(diào)整衡準(zhǔn)，該項(xiàng)目參考但不局限于 3.258mm的設(shè)計(jì)值。

4 優(yōu)化分析

圖2～圖4為各部位應(yīng)力分布，圖5為主車架變形情況。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該項(xiàng)目的關(guān)鍵設(shè)計(jì)在于主車架底座中心，此處是應(yīng)力和變形最大的部位。因此，優(yōu)化目標(biāo)是改善主車架中間凹槽部分的受力和變形情況。

圖2 支撐腿主體結(jié)構(gòu)與主車架連接部分應(yīng)力分布

圖3 支撐腿主體結(jié)構(gòu)端蓋結(jié)構(gòu)部分應(yīng)力分布

圖4 主車架應(yīng)力分布

圖5 主車架變形情況

根據(jù)有限元分析結(jié)果對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在保證經(jīng)濟(jì)性的前提下，確定優(yōu)化方案為：工字梁 1（HB800×300-1355）、工字梁 2（HB800×300-1170）、工字梁 3（HB588×300-1355）、工字梁 4（HB588×300-1170）腹板和面板的厚度均改為40mm；橫梁1、橫梁2和橫梁3中間長度3670mm部分腹板的厚度由30mm改為40mm；其他結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)均保持不變。

有限元結(jié)果顯示：支撐腿主體結(jié)構(gòu)與主車架連接部分Von Mises應(yīng)力最大為50.9MPa，支撐腿主體結(jié)構(gòu)端蓋結(jié)構(gòu)部分應(yīng)力最大為 29.4MPa，2部分最大變形量在 1mm以內(nèi)；主車架底座中心最大應(yīng)力為61.4MPa，主車架底座中心最大變形量為6.54mm。優(yōu)化方案的安全系數(shù)見表2。

經(jīng)校核，優(yōu)化方案主車架的質(zhì)量為64.85t，相比原方案增加2.046t，主頂升油缸的承載力和行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力能滿足要求。

另外，為提高平臺(tái)的整體穩(wěn)定性和承載能力，在平臺(tái)底部布置蓋板，蓋板中部為厚40mm的鋼板，兩側(cè)橫移滑道下方蓋板為厚5mm的花紋鋼板，平臺(tái)工作面鋼板上均勻布置6根加強(qiáng)筋。此時(shí)平臺(tái)中心區(qū)域（即承載的關(guān)鍵位置）的上下結(jié)構(gòu)形成類似于三明治的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度更強(qiáng)，穩(wěn)定性更好，實(shí)際操作過程中的變形量小于有限元計(jì)算結(jié)果。

表2 優(yōu)化方案的安全系數(shù)

5 結(jié) 語

380t舵葉安裝平臺(tái)作為一種具有特殊用途的船舶制造工裝設(shè)備，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的特殊性。本文所述項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵是在安裝舵葉時(shí)，要確保安裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)發(fā)生最大變形的中間位置的變形量在計(jì)算論證的合理范圍內(nèi)。通過對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，得到最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。該方案滿足強(qiáng)度要求，整體穩(wěn)定性較好，能達(dá)到減輕平臺(tái)質(zhì)量和降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本的目的。