汽車滾裝船抵抗撓曲變形的構(gòu)造分析

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(1.南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005；2.啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226259)

汽車滾裝船船型高大，水線以上部分占很大的比重[1]。為滿足裝車量和裝車效率的要求，該船型的甲板框架有嚴(yán)格的凈高限制，且貨艙內(nèi)需少設(shè)置橫艙壁，以形成寬敞的貨艙區(qū)域。所以汽車滾裝船貨艙區(qū)域的橫向強(qiáng)度和剛度遠(yuǎn)小于其他類別船舶。若構(gòu)造整體的橫向強(qiáng)度和剛度不足，則橫搖工況下易發(fā)生撓曲變形，促使船舶橫向框架及支柱在端部連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中，引起結(jié)構(gòu)疲勞斷裂和局部失穩(wěn)，對(duì)船舶的結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅[4-6]。有關(guān)汽車滾裝船的構(gòu)造設(shè)計(jì)，有涉及中大型汽車滾裝船的布置設(shè)計(jì)理念和方法，提出橫向防撓曲的強(qiáng)度問題是該類船型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]；有對(duì)汽車滾裝船貨艙內(nèi)支柱附近的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，并提出減少應(yīng)力集中的支柱構(gòu)造優(yōu)化方案[3-5]；有運(yùn)用有限元計(jì)算法分析“剛性”和“柔性”兩類不同甲板的汽車滾裝船發(fā)生橫向撓曲變形后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差異和各自的優(yōu)缺點(diǎn)[6-7]。有在汽車滾裝船橫向撓曲強(qiáng)度計(jì)算中，采用局部艙段有限元模型，通過調(diào)整邊界等條件進(jìn)行模擬，使得模型更接近于實(shí)際情況，從而快速的評(píng)價(jià)船體貨艙段在橫向撓曲狀態(tài)下的強(qiáng)度。然而，對(duì)于汽車滾裝船特有的橫向撓曲變形，如何在船型的初期設(shè)計(jì)階段選擇和確定整體性的抵抗構(gòu)造方案，未見相關(guān)的探討分析。

考慮以某汽車滾裝船為例，從初期設(shè)計(jì)階段著手，在其初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上，從抵抗撓曲變形的整體性構(gòu)造考慮出發(fā)，通過有限元計(jì)算法對(duì)初始狀態(tài)、典型橫艙壁方案、以及其他構(gòu)造方案分別進(jìn)行整船有限元分析，得出各個(gè)方案在各層甲板處的撓曲變形量；以典型橫艙壁方案在抵抗撓曲變形上的能力值為參考，去尋找能夠與其在抵抗撓曲變形能力上相當(dāng)?shù)恼w構(gòu)造方案。

1 初期構(gòu)造方案考慮

以某汽車滾裝船為例，初期考慮的各個(gè)方案構(gòu)造型式匯總見表1。

表1 某汽車滾裝船抵抗撓曲變形的構(gòu)造方案

初始狀態(tài)。已有的舷側(cè)肋骨、艏艉構(gòu)造、機(jī)艙和風(fēng)道圍壁等都屬于常規(guī)的約束性構(gòu)造型式，對(duì)撓曲變形有一定的約束和抵抗作用。通過對(duì)初始狀態(tài)的分析，可進(jìn)一步了解初始時(shí)各甲板最大變形量及其發(fā)生的位置，為后續(xù)的構(gòu)造方案考慮提供依據(jù)。

方案一。在初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對(duì)貨艙內(nèi)最大變形發(fā)生處增設(shè)一道橫艙壁。結(jié)合橫艙壁方案的業(yè)界公認(rèn)典型性，探討分析的目標(biāo)是尋找到新方案，其在抵抗撓曲變形的能力上，能夠與典型的橫艙壁方案相當(dāng)。

方案二。整個(gè)貨艙內(nèi)不設(shè)置橫艙壁，將干舷甲板(5th C.DK)以下設(shè)計(jì)為舷側(cè)雙殼構(gòu)造。從下文分析知，方案二相對(duì)于方案一而言，在抵抗能力上依然存在差異性；但相對(duì)于初始狀態(tài)，在抵抗能力上已有很大的提高。

方案三。在方案二的基礎(chǔ)之上，在干舷甲板(5th C.DK)以上的貨艙內(nèi)增加一組強(qiáng)約束性構(gòu)造，即在最大變形量發(fā)生的位置增設(shè)一組梯道圍壁構(gòu)造。下層甲板間平面布置見圖1。

初始狀態(tài)及各個(gè)方案的橫剖面示意，見圖2。

2 抵抗撓曲變形的構(gòu)造分析

2.1 計(jì)算模型

運(yùn)用有限元計(jì)算軟件Femap With Nastran，依據(jù)典型橫剖面圖、基本結(jié)構(gòu)圖和總布置圖等，結(jié)合各方案的結(jié)構(gòu)，分別建立有限元實(shí)體模型。由于該船型的不對(duì)稱布置，需進(jìn)行整船有限元建模。

有限元模型采用右手坐標(biāo)系，X軸指向船艏，Y軸沿船寬指向左舷，Z軸由基線垂直指向甲板。整船采用肋骨間距的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格尺寸建模，船體的各層甲板、外板、肋板、縱絎、強(qiáng)肋骨、強(qiáng)橫梁、支柱等板材采取四節(jié)點(diǎn)板單元模擬，普通骨材及型材面板等結(jié)構(gòu)采取一維梁?jiǎn)卧M。

2.2 邊界約束

如圖3所示，汽車滾裝船實(shí)體模型邊界約束以干舷甲板為界面，將該界面與艏柱的交點(diǎn)設(shè)定為X、Y和Z方向的線位移固定約束；將該界面與艉封板的左舷交線端點(diǎn)設(shè)定為Z方向線位移固定約束；將該界面與艉封板的右舷交線端點(diǎn)設(shè)定為Y和Z方向線位移固定約束。

2.3 撓曲變形計(jì)算載荷

撓曲變形計(jì)算載荷主要反映出船舶在橫浪中行駛，船體橫向結(jié)構(gòu)承受最大限度的撓曲彎矩的作用，以此來確定船體發(fā)生撓曲變形時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，其載荷加載分布情況見圖4。

考慮到汽車滾裝船的結(jié)構(gòu)非對(duì)稱性，分別進(jìn)行船舶左傾和右傾的計(jì)算。

2.4 裝載工況的選取

針對(duì)汽車滾裝船抵抗撓曲變形的能力評(píng)估，主要需確認(rèn)選取的裝載工況能否產(chǎn)生最大的橫搖彎矩MR。

(1)

式中：Mi為第i層甲板貨物重量，t；ms,i為第i層甲板自身的重量，t；at,i為第i層甲板的橫向加速度，m/s2；Zi為第i層甲板從基線量取的垂向距離，m；Zmain為從基線量取至干舷甲板的垂向距離，m。

通過式(1)，計(jì)算選取橫搖彎矩?cái)?shù)值最大的裝載工況對(duì)整船有限元模型進(jìn)行實(shí)際加載。

2.5 抵抗撓曲變形能力的評(píng)估方法

有關(guān)抵抗撓曲變形能力的評(píng)估以撓曲變形量的量化數(shù)據(jù)比較方式展開。按照上文所述邊界條件、計(jì)算載荷和裝載工況，分別對(duì)初始狀態(tài)、橫艙壁方案、其他方案的有限元模型進(jìn)行約束設(shè)定和載荷加載。通過Femap With Nastran軟件計(jì)算，直接輸出的各層甲板在外板處沿Y軸方向的變形量。但是在抵抗撓曲變形能力評(píng)估時(shí)，以選取同一橫剖面處各層甲板相對(duì)于最底層甲板在外板處沿Y軸向的相對(duì)撓曲變形量“△dy”進(jìn)行比較評(píng)估，見圖5。

2.6 各方案相對(duì)撓曲變形量數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述評(píng)估方法，得出初始狀態(tài)、典型橫艙壁方案，其他構(gòu)造方案在各層甲板外板處的相對(duì)撓曲變形量“△dy”，見圖6～9。

圖中，X軸表示量取點(diǎn)與艉垂線之間的距離，Y軸表示相對(duì)撓曲變形量“△dy”的數(shù)值大小。

從圖6～9得出各構(gòu)造方案的最大相對(duì)撓曲變形量統(tǒng)計(jì)，見表2。

表2 各個(gè)構(gòu)造方案最大相對(duì)撓曲變形量

對(duì)汽車滾裝船初始狀態(tài)、典型橫艙壁方案、以及其他構(gòu)造方案的相對(duì)撓曲變形量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并結(jié)合各方案的構(gòu)造特點(diǎn)進(jìn)行分析，可知：

1)各構(gòu)造狀態(tài)的最大相對(duì)撓曲變形量數(shù)據(jù)之間的差異，體現(xiàn)了不同構(gòu)造設(shè)計(jì)在抵抗撓曲變形能力上的整體性差異。從表2的數(shù)據(jù)比較可知，雙殼構(gòu)造與梯道圍壁的結(jié)合使得整船在抵抗撓曲變形能力上與典型的橫艙壁方案近似相當(dāng)。

2)從圖7可見，在典型的橫艙壁方案上，貨艙段各層甲板相對(duì)撓曲變形量沿船長(zhǎng)方向變化趨勢(shì)較平緩。與其他方案相比，設(shè)置的橫艙壁對(duì)整船在船長(zhǎng)方向上抵抗撓曲變形的抑制作用更均勻，可極大提高貨艙區(qū)域構(gòu)造的整體剛性約束，體現(xiàn)了其作為典型抵抗撓曲變形構(gòu)造的優(yōu)勢(shì)。該方案的弊端是使得各層甲板間通行的坡道布置受到了橫艙壁的限制，且原先空曠的貨艙區(qū)域被分隔成多個(gè)貨艙區(qū)，致使運(yùn)輸車輛碼頭裝卸的效率降低。

3)從圖7與圖8比較知，干舷甲板(5th C.DK)以下設(shè)置的雙殼構(gòu)造提高了水線以下構(gòu)造的剛度，使得5th C.DK以下各層甲板最大相對(duì)撓曲變形量與橫艙壁方案相當(dāng)。對(duì)于5th C.DK以上的各層甲板相對(duì)變形量，由于上部缺少?gòu)?qiáng)約束構(gòu)造的設(shè)置，其相對(duì)撓曲變形量在折線圖上明顯增大。盡管該方案相對(duì)初始狀態(tài)也極大降低了最大相對(duì)撓曲變形量，且提供了更空曠齊整的貨艙區(qū)域，有利于提高車輛裝卸的效率。但相對(duì)于典型的橫艙壁方案而言，在抵抗撓曲變形能力上仍存在一定的差距，并未達(dá)到初期所希望的與橫艙壁相當(dāng)?shù)牡挚鼓芰?，且雙殼的設(shè)置占用了部分貨艙空間，必然對(duì)裝車量有一定的影響。

4)從圖9可見，在方案二“雙殼構(gòu)造”的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步增強(qiáng)干舷甲板以上的舷側(cè)構(gòu)造剛性，采取了對(duì)5th C.DK以上最大撓曲變形量的位置增設(shè)一組強(qiáng)約束性的梯道圍壁構(gòu)造，從而使得最大相對(duì)撓曲變形量數(shù)據(jù)在方案二的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步降低。最終使得該方案與典型的橫艙壁方案比較，兩者在抵抗撓曲變形能力上近似相當(dāng)，達(dá)到了初期希望尋找的研究目標(biāo)。

3 結(jié)論

通過對(duì)初期設(shè)計(jì)階段的不同的整體性構(gòu)造方案進(jìn)行分析、比較后發(fā)現(xiàn)：雙殼構(gòu)造結(jié)合梯道圍壁的方案與典型的橫艙壁方案比較，在抵抗撓曲變形能力上有一定的近似性。然而，相對(duì)于典型的橫艙壁方案而言，雙殼構(gòu)造結(jié)合梯道圍壁的方案提供了更空曠齊整的貨艙區(qū)域，勢(shì)必更方便了貨艙內(nèi)汽車坡道的布置，有利于運(yùn)輸車輛碼頭裝卸效率的提高。但設(shè)置的雙殼構(gòu)造占用了部分貨艙空間，對(duì)車輛的裝載量有一定影響。這些都是在初期設(shè)計(jì)階段整體性構(gòu)造方案考慮時(shí)需要注意的。另外，對(duì)于構(gòu)造詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，整體的撓曲變形也會(huì)引起局部熱點(diǎn)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題、屈曲問題、疲勞問題等，也需予以重點(diǎn)關(guān)注，并考慮對(duì)應(yīng)的局部補(bǔ)強(qiáng)方式。