某型支撐座工裝結構優(yōu)化設計研究

袁亞銀，孫蘇龍，劉金鋒，馬世領

（1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；2.滬東中華（集團）有限公司，上海 200129；3.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001）

0 引言

在傳統(tǒng)船舶工裝結構設計中，大多數(shù)情況下，依據(jù)個人經(jīng)驗和理論計算做出初步設計，但這種設計方法存在很多局限性，工裝設計上偏于保守，結構形式存在較大的優(yōu)化空間[1-2]。

有限元法具有較好的求解穩(wěn)定性和收斂性，在分析接觸問題和非線性問題中尤顯其優(yōu)勢[3]。工裝設計中采用有限元分析，可對其在現(xiàn)場作業(yè)過程中各種危險工況進行理論分析和數(shù)值模擬，較為準確直觀地得到其構件的應力分布及變形，特別對于結構形式比較復雜的工裝結構強度評估具有較強優(yōu)越性。

隨著現(xiàn)場作業(yè)過程中分段、總段大型化，對于支撐座工裝的支撐受力與高度調(diào)節(jié)范圍要求更為苛刻，支撐座工裝設計是現(xiàn)場施工、設計部門亟待解決的問題。采用一套合理、安全、經(jīng)濟、高效的工裝優(yōu)化設計方法，對于降低材料成本，保障施工作業(yè)安全具有十分重要的意義[4-5]。

1 原支撐座工裝結構

某船廠典型Z型支撐座工裝一般安裝在船體分段、總段側面或者底部，作為總組和搭載時用于支撐分段、總段的臨時性工藝零件，其結構一端與船體焊接，另一端坐落于支撐工裝之上。支撐座工裝連接船體結構與現(xiàn)場各類支撐工裝結構，保證兩者之間力的傳遞，合理的支撐座工裝在保證支撐作業(yè)的安全性、減少結構變形的前提下，其型式盡量簡單輕便。

在現(xiàn)場施工過程中，支撐座工裝結構主要承受船體的壓力，其支撐座主板、防傾板以及底板結構型式都對支撐座整體結構強度存在不同程度的影響，如何確定合理的支撐座工裝結構型式是現(xiàn)場工裝設計的關鍵。Z-5C型支撐座工裝結構如圖1所示。

圖1 某Z-5C型支撐座工裝結構（單位：mm）

本文采用參數(shù)化分析方法，建立Z-5C型支撐座工裝結構有限元模型，基于結構有限元數(shù)值計算，研究支撐座工裝線型角度、主板高度，防傾板高度等結構參數(shù)對支撐座結構強度的影響。Z-5C型支撐座工裝結構有限元模型如圖2所示。

2 結構參數(shù)有限元分析

2.1 線型角度對支撐座強度的影響

根據(jù)Z-5C型支撐座工裝實際現(xiàn)場使用情況，該工裝船體線型角度一般在50°～90°范圍內(nèi)變化。為研究船體線型角度因素對承載能力的影響，本文針對50°、60°、75°、80°、85°、90°這6種線型角度工況下支撐座工裝進行強度分析。

圖2 某Z-5C型支撐座工裝結構有限元模型示意圖

由圖3支撐座工裝承載力隨船體線型角度的變化曲線可知，隨著船體線型角度的增加，支撐座最大應力值先減少后增大（在線型角度75°處結構型式存在突變，造成最大應力值存在較大變化），線型角度極值處（50°）結構最大應力值最高。

圖3 Z-5C型支撐座工裝承載力隨船體線型角度變化曲線

不同的線型角度下，支撐座工裝最大承載力差異較大，對于該類支撐座工裝優(yōu)化設計過程中，若結構型式存在較大突變，應重點考慮線型變化的極值角度。

2.2 主板高度對支撐座強度的影響

由工裝結構型式可知，主板高度可在400 mm～750 mm范圍變化，考慮到在90°線型角度工況下，主板高度變化對支撐座承力能力影響較大。因此，基于該線型角度工況進行支撐座強度分析，圖4為最大應力與最大承載力隨主板高度的變化曲線。

圖4 Z-5C型支撐座工裝受力隨主板高度變化曲線

由圖4可知，在主板高度為500 mm時，已滿足支撐座強度要求，其承載力隨著主板高度的增加而增大，在主板高度為650 mm臨界高度處，承載力達到最大值。

2.3 防傾板高度變化對支撐座強度的影響

由工裝結構型式可知，防傾板高度在150 mm～360 mm范圍內(nèi)變化。由圖3可知，在50°線型角度工況下該支撐工裝最大應力值最高，工況最為惡劣。因此，基于該線型角度工況進行支撐座強度分析，圖5為支撐座工裝的最大應力與最大承載力隨防傾板高度變化曲線。

圖5 Z-5C型支撐座工裝承載力隨防傾板高度變化曲線

相比主板高度的影響，防傾板高度變化對其支撐座承載力的影響相對較小，由圖5可知，其支撐座承載力隨著防傾板高度的增加而增大，但達到某一臨界高度后將逐漸減少，最大應力值反之。

3 支撐座結構優(yōu)化設計

船體支撐座工裝結構優(yōu)化應從支撐座本身結構型式上改進，使其具備尺寸小、重量輕、用料省、安全可靠和裝拆方便等優(yōu)點[6]。基于結構參數(shù)有限元分析，主要從主板結構尺寸、防傾板尺寸和底板尺寸對支撐座工裝結構進行優(yōu)化分析。支撐座工裝設計流程如圖6所示。

3.1 主板尺寸優(yōu)化

考慮到主板高度對支撐座承載力影響較大，為確定最佳的主板尺寸（高度與厚度），本文針對以下2種典型設計方案進行優(yōu)化研究，見表1。

主板高度為500 mm時，該方案下支撐座工裝剛好滿足強度要求；主板高度為650 mm，該方案下支撐座工裝承載力達到最大值。

圖6 支撐座工裝設計流程

表1 不同方案下的支撐座主板尺寸（高度與厚度）

上述2種方案下支撐座工裝最大應力值與最大承載力隨主板厚度的變化曲線如圖7和圖8所示。基于研究結果，在設計載荷相同的情況下，相較于方案1，方案2中主板的結構重量降低10%，用料較省。

3.2 防傾板尺寸優(yōu)化

為進一步確定支撐座工裝防傾板厚度，本文針對50°和90°這2種線型角度工況進行強度分析（圖9）。

圖7 方案1，Z-5C型支撐座工裝承載力隨主板厚度變化

圖8 方案2，Z-5C型支撐座工裝承載力隨主板厚度變化

圖9 Z-5C型支撐座工裝承載力隨防傾板厚度變化曲線

3.3 底板尺寸優(yōu)化

為探討支撐座工裝底板板厚對其承載力的影響，對多種厚度底板的支撐座工裝結構進行有限元模擬，最大應力值與最大承載力隨防傾板厚度的變化曲線如圖10所示。

圖10 Z-5C型支撐座工裝受力隨底板厚度變化曲線

3.4 支撐座優(yōu)化尺寸確定和有限元分析

基于Z-5C型支撐座結構尺寸參數(shù)對其承載力的影響研究，最終確定支撐座結構優(yōu)化設計尺寸如下：

1）主板高度由600 mm增加至650 mm，板厚由22 mm減小至18 mm。

2）防傾板高度由360 mm減小至240 mm，板厚由16 mm減少至10 mm。

3）底板板厚由22 mm減少至14 mm。

圖11給出了優(yōu)化后的Z-5C型支撐座的結構型式及結構最大應力值，由該支撐工裝結構應力云圖可知，優(yōu)化后的支撐座主板以及防傾板結構應力分布較為平緩，該工裝結構設計較為合理，滿足支撐座工裝使用的強度要求。

圖11 支撐座結構優(yōu)化與有限元計算結果（Z-5C型）

4 優(yōu)化前、后Z型支撐座工裝比較

按照上述Z-5C支撐座工裝優(yōu)化設計的原則和方法，進一步對Z-5A和Z-5B型支撐座工裝結構型式進行優(yōu)化設計，具體優(yōu)化方案如圖12所示，表2對典型Z型支撐座工裝優(yōu)化前后的結構尺寸、支撐座重量進行了匯總比較。

綜上所述，在設計載荷相同的情況下，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后Z-5A、Z-5B和Z-5C型支撐座工裝的結構重量可分別降低19.4%、39.9%和30.2%，優(yōu)化效果較為明顯。

圖12 支撐座結構優(yōu)化尺寸示意圖

表2 優(yōu)化前、后支撐座結構尺寸以及有限元結果對比

5 結論

本文旨在通過Z型支撐工裝的研究與優(yōu)化工作，為類似的現(xiàn)場工裝設計提供一定思路?；趦?yōu)化前、后支撐座結構尺寸及重量對比，現(xiàn)場支撐座工裝結構型式尚存在較大的優(yōu)化空間，建議在類似工裝設計過程中結合理論計算分析，優(yōu)化現(xiàn)場工裝結構設計。