基于有限元分析的鐵舾件優(yōu)化設(shè)計

陳正云

（上海外高橋造船有限公司 上海200137）

引 言

船舶舾裝產(chǎn)品的質(zhì)量雖然只占全船空船質(zhì)量的5%～8%，但也存在著“減重”的問題。造成我國船舶比日韓重的原因有許多。有材料方面，國外用的鋼材強度比我們好；有結(jié)構(gòu)設(shè)計上的問題，我們的裕度大；也有設(shè)備上的問題，我國的船舶配套設(shè)備無論是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品還是新研制產(chǎn)品，大多帶有“傻大笨粗”的痕跡，安全系數(shù)偏高，強度裕度偏大［1］。舾裝產(chǎn)品減重一方面有助于減少原材料消耗，降低成本。另一方面也有利于減輕船舶空船質(zhì)量，降低航運公司船舶運營成本。設(shè)計是源頭，因此船舶舾裝減重要從設(shè)計抓起。

1 鐵舾件設(shè)計現(xiàn)狀分析

1.1 市場因素

前幾年船市空前火爆，船廠和船舶配套企業(yè)的業(yè)務(wù)普遍興旺，產(chǎn)品供不應(yīng)求，企業(yè)普遍缺乏產(chǎn)品革新的動力。而現(xiàn)在船市低迷，船配企業(yè)業(yè)務(wù)也受到很大影響，相互之間的競爭日益激烈，在這種情況下，產(chǎn)品質(zhì)量就成為競爭取勝的關(guān)鍵因素，苦練內(nèi)功、提升產(chǎn)品技術(shù)含量成為許多企業(yè)的必然選擇。對于舾裝來說，產(chǎn)品輕質(zhì)化正是其提升產(chǎn)品質(zhì)量的最佳選擇之一。

1.2 設(shè)計人員設(shè)計理念

對于舾裝鐵舾件設(shè)計來說和選用不同尺寸型鋼，不同通徑的管子等是設(shè)計人員要掌握的一項技能。而目前設(shè)計人員往往憑借經(jīng)驗選取型材尺寸。在實際建造過程中若沒有問題就一直延續(xù)下去，發(fā)現(xiàn)問題再給予加強或更換。這樣造成的結(jié)果就是：有可能選用了規(guī)格過大的型材，導(dǎo)致成本的上升和鐵舾件的增重。

相對全船質(zhì)量而言，舾裝產(chǎn)品僅是“小頭”，因此我們即使知道我們的產(chǎn)品比日韓同類產(chǎn)品笨重、費料，也沒引起重視。然而這種粗大、笨重、復(fù)雜的產(chǎn)品已經(jīng)與節(jié)能減排，建設(shè)節(jié)約型社會的大環(huán)境不相適應(yīng)。另外，鐵舾件的設(shè)計一直秉承著選材規(guī)格高、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的理念，以達(dá)到提高強度的目的。在遵循規(guī)范的前提下，普遍存在選材過于保守以及余量層層加碼的習(xí)慣，這就使設(shè)計產(chǎn)品自重偏大。同時，設(shè)計人員經(jīng)驗不夠豐富，計算精準(zhǔn)度尚待提高，也是導(dǎo)致產(chǎn)品自重偏大的重要原因［2］。

2 優(yōu)化設(shè)計方法

鐵舾件的輕型化就是在滿足鐵舾件功能強度的前提下，盡量使用規(guī)格較小的材料或者優(yōu)化型式等方法制作，從而達(dá)到節(jié)省材料，降低成本減輕空船質(zhì)量的目的。在目前的設(shè)計基礎(chǔ)上，選取部分典型節(jié)點利用有限元進(jìn)行強度分析，優(yōu)化設(shè)計，選取合適的型材。以點帶面，進(jìn)行推廣，擺脫緊緊依靠經(jīng)驗設(shè)計的不準(zhǔn)確性。

2.1 優(yōu)化鐵舾件的界定

目前擬定優(yōu)化的鐵舾件有以下幾種：小車過道、人行過橋、錨絞機操作平臺、備錨基座、前桅、雷達(dá)桅、艙內(nèi)平臺、舵機操作平臺、首尾尖艙擱架、各類管系支架托架等。另外按照設(shè)備工作區(qū)域不同，其工作環(huán)境也有所不同。有開敞區(qū)域、半開敞區(qū)域、室內(nèi)以及靠近主機和螺旋槳等激振源附近區(qū)域等。工作環(huán)境不同對鐵舾件要求會有所不同，有些不僅僅要考慮強度問題，也要重點考慮振動問題。比如舵機艙操作平臺、前桅、雷達(dá)桅等［3］。

2.2 優(yōu)化型材方案

目前我廠所用鐵舾件常用材料為：角鋼L75×75×8（單位：mm）。一直以來，舾裝設(shè)計人員比較關(guān)注的是安全性和穩(wěn)固性，對于質(zhì)量控制和成本因素考慮得比較少。因此，設(shè)計人員在選型時，選取的規(guī)格較高，設(shè)計的鐵舾件較笨重，不僅增加了材料成本，也給現(xiàn)場施工增加了一定的難度。

在優(yōu)化設(shè)計初期先向組內(nèi)設(shè)計人員征詢需優(yōu)化鐵舾件清單，制定相應(yīng)優(yōu)化計劃，利用有限元軟件計算分析，逐步優(yōu)化各類鐵舾件。經(jīng)過反復(fù)校核其強度以及部分鐵舾件的振動，并結(jié)合不同項目實施過程中的探索和總結(jié)，分別嘗試用較小規(guī)格的角鋼替代原來L75×75×8的角鋼，選取部分優(yōu)化鐵舾件，替換情況如表1所示。

表1 部分鐵舾件型材替換表

2.3 優(yōu)化設(shè)計實例

散貨船是我公司主打產(chǎn)品，后續(xù)也有相當(dāng)數(shù)量的訂單。此次在原180KBC的設(shè)計基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，并將有限元計算數(shù)據(jù)和報告整理歸類，為優(yōu)化型材在后續(xù)船上的推廣和運用提供數(shù)據(jù)支持。同時在送審船東、船檢時，可提供數(shù)據(jù)支持。下面就以180KBC中B型小車過道和舵機操作平臺作為優(yōu)化實例，來具體介紹優(yōu)化過程。

2.3.1 B型小車過道優(yōu)化設(shè)計

選取180KBC中B型小車過道的樣式，將原先的角鋼L75×75×8 mm替換為L50×50×6 mm進(jìn)行有限元建模分析，模型如圖1。按照每人所占面積0.35 m2的標(biāo)準(zhǔn)可計算出人行過橋上的大約人數(shù)，假設(shè)人均質(zhì)量為100 kg，小車及物品500 kg。由此可得出過橋上所承受的最大載荷，假設(shè)小車過道端部約束為簡支，模型加載和邊界情況如圖2所示。

圖1 小車過道有限元模型

圖2 小車過道加載及約束

計算可得出角鋼替換為L50×50×6 mm時，小車過道最大應(yīng)力為172 MPa，結(jié)果見圖3。小車過道所用材料的屈服應(yīng)力為235 MPa，根據(jù)HCSR規(guī)范第7章6.2.1，應(yīng)力衡準(zhǔn)為1.36 σyd，即1.36×235=319.6 MPa?？梢娦筒奶鎿Q后完全符合結(jié)構(gòu)的強度要求，此方案是可行合理的。另外，根據(jù)甲板上小車過道所處區(qū)域以及自身特點，按照規(guī)范要求只需考慮強度即可，振動可不作考慮。

圖3 小車過道應(yīng)力云圖（L50×50×6 mm）

2.3.2 舵機操作平臺設(shè)計優(yōu)化

選取H1466船上所用舵機操作平臺進(jìn)行優(yōu)化，將原先所用L75×75×8 mm角鋼替換為L63×63×6 mm。舵機操作平臺各部件之間不是焊接的，因此有限元分析時需要對各個部件分別進(jìn)行建模分析。選其中某一部件有限元建模。假設(shè)這一部分平臺站滿人約8人，每人100 kg ，模型加載及約束如圖4。

圖4 舵機操作平臺載荷和邊界條件

根據(jù)平臺角鋼是L63×63×6 mm進(jìn)行強度分析。應(yīng)力大小為10.9 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，結(jié)果如下頁圖5。如僅考慮強度，平臺角鋼可進(jìn)一步優(yōu)化減小規(guī)格，但舵機操作平臺所處區(qū)域在尾部，距離主機和螺旋槳都比較近，此處容易出現(xiàn)振動問題，在以往的實船中也多次發(fā)現(xiàn)振動問題。因此舵機操作平臺振動問題不可忽視。若進(jìn)一步降低型材規(guī)格，平臺剛度會下降，從而固有頻率降低，容易共振。故先計算型材規(guī)格為L63×63×6 mm時的平臺固有頻率，根據(jù)結(jié)果酌情考慮是否可進(jìn)一步優(yōu)化。選H1466船的主要參數(shù)先計算激振頻率，參數(shù)如下：

圖5 舵機操作平臺應(yīng)力云圖

主機 ：MAN6G70ME-C9.5HP SCR&EGB ；

SMCR： 15 748 kW×75 RPM；

螺旋槳： 4葉。

激振力來源于主機和螺旋槳。螺旋槳激振力最大葉頻為（SMCR/60）×4，基于我們舾裝件修改的方便性，只要考慮到倍葉頻（SMCR/60）×8即可。該船使用的是6缸機，其6階激振力最大頻率等于（SMCR/60）×6，此頻率已在倍葉頻范圍之內(nèi)。因此以倍葉頻作為衡準(zhǔn)，即可根據(jù)參數(shù)算出倍葉頻為10 Hz，再加上20%的余量便為12 Hz。有限元建模分析舵機操作平臺固有頻率，計算結(jié)果及振型圖如圖6-圖8所示，一階固有頻率12.369 Hz，二階固有頻率12.911 Hz。

圖6 舵機操作平臺某點振型/頻率圖

圖7 平臺一階振型圖（12.369 Hz）

圖8 平臺二階振型圖（12.911 Hz）

以上分析表明優(yōu)化后舵機操作平臺的固有頻率已達(dá)到目標(biāo)值以上，避開了共振。但富余量并不是很大，若在不改變平臺型式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低型材規(guī)格，必然會降低整個平臺的剛度，導(dǎo)致固有頻率降低，從而低于倍葉頻容易引起共振。因此，在原有結(jié)構(gòu)型式的基礎(chǔ)上暫優(yōu)化角鋼規(guī)格為 L63×63×6 mm。

3 經(jīng)濟效益

舾裝件優(yōu)化設(shè)計方法是在滿足設(shè)計要求的前提下，通過采用低規(guī)格型號的鋼材，達(dá)到節(jié)約成本和控制質(zhì)量的目的。經(jīng)過幾個項目的摸索和實踐，這一技術(shù)成果已準(zhǔn)備應(yīng)用于后續(xù)新項目中。目前210KBC正處于詳細(xì)設(shè)計送退審階段，優(yōu)化結(jié)果已在這個項目上有所推廣和應(yīng)用。優(yōu)化后的鐵舾件質(zhì)量控制效果明顯，表2是210KBC這條船的鋼材節(jié)約統(tǒng)計表。

表2 210KBC部分鐵舾裝件鋼材節(jié)約統(tǒng)計表

通過表2可看出，目前部分優(yōu)化的鐵舾件可降低7.63 t的鋼材。艙內(nèi)平臺在船上用量最大，因此優(yōu)化的質(zhì)量最多。部分鐵舾件節(jié)約質(zhì)量看上去并不是很大，但該優(yōu)化思路可以進(jìn)一步推廣，用在廣義舾裝件以及后續(xù)船上。其前景將相當(dāng)可觀。

4 結(jié) 語

有限元分析現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計，但對舾裝件的有限元分析卻一直是一個空白。由于舾裝產(chǎn)品減重涉及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、強度、規(guī)范滿足性等方面的問題，因此需要較多的技術(shù)與規(guī)范儲備，再加上舾裝產(chǎn)品普遍具有品種及規(guī)格多樣的特點，出現(xiàn)問題也可事后加強補救，因此就忽略了舾裝件的優(yōu)化。作為基層設(shè)計人員，此次不僅做了大膽嘗試，也完善了設(shè)計手段，將有限元分析法較好地運用于舾裝件優(yōu)化設(shè)計中。既可使船舶設(shè)計緊跟時代發(fā)展需求，也為以后舾裝件減重大力推廣打下堅實基礎(chǔ)。