超大型集裝箱船綁扎橋結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

張鼎,孔小兵,劉奕謙,陳忱,湯宵揚(yáng)

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

集裝箱船向大型化發(fā)展，伴隨而來的是甲板上堆裝的集裝箱越來越多，甲板上綁扎系統(tǒng)的安全性非常重要[1]。

綁扎橋是保證集裝箱系固安全中的重要結(jié)構(gòu)，常規(guī)的綁扎橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要基于規(guī)范計(jì)算，一般偏于保守，這使得綁扎橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度存在著較大的冗余。因此，在保證集裝箱船的綁扎橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求的條件下，應(yīng)盡可能優(yōu)化綁扎橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量[2]，提高集裝箱船的經(jīng)濟(jì)性。

20 000箱級以上超大型集裝箱船具有高難度、高復(fù)雜性和高附加值的特點(diǎn)，是典型的高技術(shù)船型之一。選取某20 000 TEU集裝箱船典型綁扎橋?yàn)槔?，分析對綁扎橋結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。

1 研究對象

綁扎橋主要包括剪力墻式綁扎橋和A型斜撐式綁扎橋2種形式。剪力墻式綁扎橋的關(guān)鍵構(gòu)件為立柱和剪力墻，A型斜撐式綁扎橋的關(guān)鍵構(gòu)件為立柱和斜撐。對剪力墻式和A型斜撐式綁扎橋強(qiáng)度進(jìn)行有限元計(jì)算對比分析表明，剪力墻式綁扎橋略優(yōu)于 A 型斜撐式[3]，且目前剪力墻式綁扎橋在超大型集裝箱船上運(yùn)用較多，故本文針對剪力墻式綁扎橋輕量化設(shè)計(jì)。

20 000 TEU集裝箱船采用3層箱高剪力墻型式綁扎橋。該船相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的是原GL規(guī)范[4]，故本文的綁扎橋?qū)Ρ扔?jì)算分析按照原GL綁扎規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行。綁扎橋結(jié)構(gòu)采用AH36高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度為355 MPa。

2 綁扎橋強(qiáng)度計(jì)算分析流程

2.1 有限元模型范圍

原GL規(guī)范未要求將船體艙口圍部分結(jié)構(gòu)考慮到計(jì)算分析中，故本文的有限元模型僅包括綁扎橋本身，其建模范圍包括立柱、剪力墻、平臺(tái)和連接肘板等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，眼板、格柵平臺(tái)和導(dǎo)向立柱貼板等附件可不用考慮。綁扎橋上所有構(gòu)件均采用板單元模擬，板單元大小約100 mm×100 mm，在PATRAN中建立的該綁扎橋結(jié)構(gòu)有限元模型(見圖1)，其中模型的總體坐標(biāo)系采用右手笛卡爾坐標(biāo)系，即x方向?yàn)榇瑢挿较?，y方向?yàn)榇L方向，z方向?yàn)樾蜕罘较颉?/p>

2.2 有限元模型邊界條件

在綁扎橋與艙口圍板、箱柱連接處剛固，即施加限制x、y、z3個(gè)方向線位移和角位移的約束。邊界約束后的綁扎橋模型見圖1。

圖1 綁扎橋邊界條件

2.3 綁扎力大小和方向

計(jì)算采用的綁扎力大小為140 kN，中間集裝箱區(qū)域采用雙層單綁的外綁形式，最外側(cè)列采用雙層內(nèi)綁扎形式，綁扎方式見圖2。

圖2 綁扎方式示意

綁扎橋橫剖面圖見圖3。

圖3 綁扎橋結(jié)構(gòu)橫剖面

對于綁扎力的方向，有些船級社僅要求考慮船寬和型深方向的綁扎力分量，即x方向和z方向。由于綁扎眼板和集裝箱箱角在y方向(即船長方向)上存在一定的距離，綁扎力僅考慮x方向和z方向與實(shí)際受力情況存在一定的差別，因此，綁扎力還應(yīng)考慮y方向的分量。按照GL相關(guān)規(guī)范要求，在綁扎眼板上的理論最大綁扎力需要沿著綁扎桿的軸向，其空間角度定位取決于綁扎眼板與對應(yīng)的集裝箱箱腳的相對位置。根據(jù)綁扎力方向的不同，將加載方式分為2個(gè)區(qū)域：舷側(cè)區(qū)域和中間區(qū)域。舷側(cè)布置高眼板、低眼板和風(fēng)綁眼板等3種綁扎眼板型式，有3種加載作用點(diǎn)；中間區(qū)域布置高眼板和低眼板等2種綁扎眼板型式，有2種加載作用點(diǎn)。加載綁扎力方向示意于圖4，其中右邊為舷側(cè)區(qū)域示意，左邊為中間區(qū)域示意，F(xiàn)x為沿船寬方向的綁扎力分量，F(xiàn)y為沿船長方向的綁扎力分量，F(xiàn)z為沿型深方向的綁扎力分量，F(xiàn)xy為Fx和Fy的合力，F(xiàn)t為Fxy和Fz的合力即加載的綁扎力。

圖4 綁扎力方向的示意

2.4 計(jì)算工況

根據(jù)規(guī)范，綁扎橋強(qiáng)度校核的計(jì)算工況包括以下3種。

1)工況一。在綁扎橋兩側(cè)綁扎眼板上均加載。

2)工況二。僅在綁扎橋靠船艏側(cè)綁扎眼板上加載。

3)工況三。僅在綁扎橋靠船艉側(cè)綁扎眼板上加載。

2.5 結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力

根據(jù)GL相關(guān)規(guī)范，圓弧、開孔邊緣等結(jié)構(gòu)突變節(jié)點(diǎn)處存在應(yīng)力集中，應(yīng)考慮采用應(yīng)力集中系數(shù)，許用應(yīng)力見表1。

表1 許用應(yīng)力

3 綁扎橋結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

綁扎橋優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)基于相同的前提條件，即其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算輸入條件，包括有限元模型范圍及單元類型、綁扎橋邊界條件、計(jì)算載荷大小和方向、計(jì)算工況和強(qiáng)度評估準(zhǔn)則等均需保持一致。根據(jù)綁扎橋計(jì)算分析研究經(jīng)驗(yàn)[5]，考慮從以下3個(gè)方面進(jìn)行綁扎橋的輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化立柱

立柱在綁扎橋質(zhì)量中占有很大的比例，可考慮移除綁扎橋中的4根立柱。優(yōu)化后的有限元模型見圖5。

圖5 立柱優(yōu)化后的綁扎橋有限元模型

3.2 優(yōu)化剪力墻

計(jì)算分析表明，綁扎橋上第二平臺(tái)和第三層平臺(tái)之間的剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較低，故考慮將該處的剪力墻移除，移除后的綁扎橋有限元模型見圖6。

圖6 剪力墻優(yōu)化后的綁扎橋有限元模型

3.3 同時(shí)優(yōu)化立柱和剪力墻

基于上述分析，可疊加考慮移除立柱和剪力墻，這樣，結(jié)構(gòu)形式變化較大，可能會(huì)出現(xiàn)局部區(qū)域應(yīng)力超過許用應(yīng)力的情況，為此對該區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)，以保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4 計(jì)算結(jié)果對比分析

采用上述計(jì)算方法得到不同優(yōu)化情況下綁扎橋的正應(yīng)力、剪應(yīng)力和合成應(yīng)力，對比見表2，綁扎橋結(jié)構(gòu)的質(zhì)量對比見表3。

表2 不同優(yōu)化情況下的綁扎橋應(yīng)力對比 MPa

表3 不同優(yōu)化情況下的綁扎橋結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比

由表2、3可見，在優(yōu)化立柱、優(yōu)化剪力墻和同時(shí)優(yōu)化立柱和剪力墻等3種情況下，其應(yīng)力水平均能滿足規(guī)范要求，由于最大應(yīng)力出現(xiàn)在開孔邊緣等結(jié)構(gòu)突變處(見圖7)，且均可以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量；相對于優(yōu)化剪力墻而言，優(yōu)化立柱減輕的結(jié)構(gòu)質(zhì)量更多，但合成應(yīng)力水平上升相對較多；同時(shí)優(yōu)化立柱和剪力墻時(shí)，所減輕的結(jié)構(gòu)質(zhì)量最多，其合成應(yīng)力水平的上升相對優(yōu)化立柱稍少，而相對優(yōu)化剪力墻較多；在同時(shí)優(yōu)化立柱和剪力墻時(shí)，應(yīng)特別注意對應(yīng)力較大處的肘板進(jìn)行加厚或者加大，保證其滿足規(guī)范要求。

圖7 最大應(yīng)力典型區(qū)域示意

本20 000 TEU共有27座綁扎橋，考慮同時(shí)優(yōu)化立柱和剪力墻時(shí)典型橋減重約5.11 t，初估全船綁扎橋可減重至少120 t，可為船廠減少建造成本，同時(shí)可增大本船的載重噸，帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

1)常規(guī)的3層箱高綁扎橋設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度存在較大的冗余，有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

2)在綁扎橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，可考慮同時(shí)優(yōu)化立柱設(shè)置數(shù)量和剪力墻大小，通過有限元計(jì)算反復(fù)迭代驗(yàn)證，在強(qiáng)度滿足船級社規(guī)范要求的前提下，可較大程度的減輕其結(jié)構(gòu)重量。