基于質(zhì)量?jī)?yōu)化目標(biāo)的艙口蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核

王忠強(qiáng) 秦榮俊 支山亞

（無(wú)錫德林防務(wù)裝備股份有限公司 無(wú)錫214191）

0 引 言

艙口蓋是船舶結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，主要用來(lái)密封艙口，防止波浪和雨水進(jìn)入艙室，同時(shí)肩負(fù)著支撐平臺(tái)、貨物通道的作用。隨著航運(yùn)工程的發(fā)展，艙口蓋的結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)多樣性，這就對(duì)依據(jù)規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行艙口蓋設(shè)計(jì)的方式提出挑戰(zhàn)，尤其對(duì)于質(zhì)量要求嚴(yán)苛的艦船或平臺(tái)，艙口蓋輕量化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)者和船東重視的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

本文以Ice Resistant Self-Propelled Drifting Platform工程的液壓艙口蓋為研究對(duì)象。該工程中，設(shè)計(jì)院和船東不僅對(duì)艙口蓋質(zhì)量控制嚴(yán)格，且要求其具有良好的強(qiáng)度與剛性，能承受23 kN/m垂向露天設(shè)計(jì)載荷。分析功能要求后，方案設(shè)計(jì)確定采用部分量比例優(yōu)化的手段，通過(guò)建立有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度校核，評(píng)估計(jì)算結(jié)果后進(jìn)一步對(duì)強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)節(jié)點(diǎn)提出優(yōu)化方案。經(jīng)分析對(duì)比，優(yōu)化后的液壓艙口蓋力學(xué)性能提高，同時(shí)具有足夠屈曲強(qiáng)度。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

該平臺(tái)入級(jí)RMRS，艙口蓋設(shè)計(jì)應(yīng)遵循船級(jí)社規(guī)范《Rules for Classification and Construction of Sea-Going Ships》。除滿足上述俄羅斯船級(jí)社規(guī)范外，還需滿足設(shè)計(jì)院及船東提出的設(shè)計(jì)要求，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

分析表1中的參數(shù)指標(biāo)，艙口蓋尺寸較大，其質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。故該艙口蓋的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的同時(shí)滿足強(qiáng)度要求。

1.2 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)平臺(tái)的使用工況，艙口蓋需在-50℃的環(huán)境溫度下正常工作?？紤]到艙口蓋有保溫絕緣的設(shè)計(jì)要求，需在其內(nèi)部鋪設(shè)隔熱巖棉，因此艙口蓋采用單側(cè)鉸鏈開(kāi)式結(jié)構(gòu)。

方案設(shè)計(jì)時(shí)，首先分析艙口蓋的功能需求，即艙口蓋需具有密封性能、啟閉功能和安全性能；然后結(jié)合其設(shè)計(jì)要求，采用部分量比例優(yōu)化的手段從所列3個(gè)功能延伸進(jìn)行方案詳細(xì)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化，在保證總質(zhì)量一定的前提下，減少其他附件及構(gòu)件質(zhì)量，從而使承力蓋體質(zhì)量得以最大化；完成以上工作后，再以質(zhì)量和強(qiáng)度為校核目標(biāo)對(duì)承力蓋體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化；最后進(jìn)行屈曲強(qiáng)度校核及相關(guān)功能試驗(yàn)驗(yàn)證。總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

1.3 方案設(shè)計(jì)

鑒于環(huán)境溫度很低，圍板需布置防凍裝置，圍板高度取恰能放置加熱帶為準(zhǔn)，為45 mm。鎖緊裝置采用銅質(zhì)螺栓螺母壓緊蓋體上的鎖緊塊，鎖緊點(diǎn)周向位置設(shè)20個(gè)，布置方式如圖2所示。

圖2 圍板及鎖緊布置

根據(jù)實(shí)際裝載工況及使用需求，艙口蓋的整體高度沒(méi)有作限制，為滿足質(zhì)量要求，在圍板高度確定的情況下，結(jié)構(gòu)的高度盡量減小，即高度的選取要恰當(dāng)，如圖3所示。設(shè)計(jì)要求艙口蓋啟閉時(shí)為液壓驅(qū)動(dòng)，方案中將油缸鉸鏈座與船體桁材直接焊接，減少附加結(jié)構(gòu)。

圖3 鉸鏈及油缸布置

由于采用手動(dòng)鎖緊，密封條不宜過(guò)硬，邵氏硬度約40，截面取60 mm×30 mm，如圖4所示。

圖4 鎖緊狀態(tài)

支撐裝置及拉緊裝置為單獨(dú)設(shè)計(jì)部件，均為經(jīng)典結(jié)構(gòu)，故不在此贅述。

完成總體方案及主要構(gòu)件設(shè)計(jì)后，核對(duì)蓋體允許的最大設(shè)計(jì)質(zhì)量，去除焊材質(zhì)量后蓋體凈重不超過(guò)5 400 kg，其中含最大超重允差+4%。在蓋體上設(shè)筋板，強(qiáng)縱梁與強(qiáng)橫梁使用T型材，對(duì)其進(jìn)行減重處理；次要扶強(qiáng)材使用扁鋼。蓋體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 蓋體結(jié)構(gòu)

2 強(qiáng)度與撓度計(jì)算

2.1 邊界條件

艙口蓋支撐在圍板上，圍板壓縮蓋體上的橡膠條，所以在艙口蓋周邊采用簡(jiǎn)支邊界條件，僅約束密封條壓板的向位移。根據(jù)艙口蓋工作時(shí)的實(shí)際工況，鉸鏈軸可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，故對(duì)鉸鏈孔做鉸接處理，周向的鎖緊塊采用固支邊界條件。設(shè)計(jì)載荷取設(shè)計(jì)院所給23 kN/m。

表2 邊界條件

2.2 建模與計(jì)算

蓋體使用高強(qiáng)度船用鋼板EH36，材料參數(shù)包括：彈性模量= 2.06×10N/mm，泊松比= 0.3，質(zhì)量密度=7.856×10kg/mm。

船舶艙口蓋強(qiáng)度計(jì)算以梁、殼理論為基礎(chǔ)，通過(guò)Hypermesh建立如圖6所示有限元簡(jiǎn)化模型，設(shè)軸為船長(zhǎng)方向、軸為船寬方向、軸向上為正方向。

圖6 有限元模型

由于T型材有減重孔，所用加強(qiáng)筋板采用殼單元代替梁?jiǎn)卧M，面板、端板和筋板采用二次完全積分單元，提高計(jì)算精度。鎖緊塊使用六面體網(wǎng)格建模，六面體單元與面單元使用剛性連接。根據(jù)構(gòu)件尺寸選取網(wǎng)格單元尺寸，縱梁、橫梁、次要扶強(qiáng)材單元數(shù)目不少于3，單元大小約50 mm。

施加邊界條件后導(dǎo)入ABAQUS進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7所示，撓度計(jì)算結(jié)果如圖8所示。衡準(zhǔn)要求根據(jù)RMRS船級(jí)社規(guī)范計(jì)算，衡準(zhǔn)參數(shù)及分析結(jié)果處理見(jiàn)表3。

圖7 應(yīng)力結(jié)果

圖8 變形結(jié)果

表3 計(jì)算結(jié)果

分析計(jì)算結(jié)果，在T型材與端板連接處、扁鋼與端板連接處均出現(xiàn)較大應(yīng)力集中，且應(yīng)力值大于許用應(yīng)力。進(jìn)行艙口蓋強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，往往以扶強(qiáng)材中央處的應(yīng)力作為衡準(zhǔn)，而其他地方的集中應(yīng)力按照應(yīng)力奇異考慮。但是本模型考慮周向鎖緊塊的約束作用，其應(yīng)力集中處不能忽略，故應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與校核

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上節(jié)分析結(jié)果，為消除集中應(yīng)力，進(jìn)行下述優(yōu)化。

（1）在T型材腹板末端采用燕尾形式，使應(yīng)力得到良好的傳遞；

（2）筋板與角鋼交界處為線面搭接形式，設(shè)橢圓孔釋放應(yīng)力；

（3）將次要扶強(qiáng)材由扁鋼改為T型材，從而增大扶強(qiáng)材的抗彎模數(shù)，提高整體剛性。

但是扁鋼改為T型材會(huì)增加蓋體質(zhì)量，所以減少結(jié)構(gòu)中橫向扶強(qiáng)材的數(shù)量。優(yōu)化后最終結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后蓋體結(jié)構(gòu)

3.2 強(qiáng)度與撓度計(jì)算

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后重新進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)力結(jié)果如圖10所示，撓度結(jié)果如圖11所示。統(tǒng)計(jì)各構(gòu)件計(jì)算數(shù)值如下頁(yè)表4所示。

表4 計(jì)算結(jié)果

圖10 優(yōu)化后蓋體應(yīng)力

圖11 優(yōu)化后蓋體變形

表中列出了優(yōu)化前后的對(duì)照值。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后集中應(yīng)力明顯降低，位于強(qiáng)T型材處的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到次要扶強(qiáng)材及鎖緊塊上，應(yīng)力值均小于EH36材料的許用應(yīng)力；減少扶強(qiáng)材數(shù)量后，質(zhì)量減輕約4.3%，可保證設(shè)備沒(méi)有超重風(fēng)險(xiǎn)。將扁鋼改為T型材以后，剛度增強(qiáng)11%。結(jié)果表明：優(yōu)化后的設(shè)計(jì)滿足規(guī)范的強(qiáng)度及屈服衡準(zhǔn)。

4 屈曲強(qiáng)度計(jì)算

4.1 數(shù)值計(jì)算方法

艙口蓋作為甲板的一部分，其屈曲穩(wěn)定性是主要的失效模式之一。對(duì)于艙口蓋屈曲校核，首先分析其可能發(fā)生屈曲的工況及失穩(wěn)構(gòu)件。當(dāng)承受垂向載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)僅出現(xiàn)彈性變形，不會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件失穩(wěn)現(xiàn)象；當(dāng)承受水平載荷時(shí)，因加強(qiáng)筋板為受壓固支梁，故其會(huì)發(fā)生屈曲。所以，應(yīng)該對(duì)筋板進(jìn)行屈曲分析，而筋板的屈曲分為方向受壓與方向受壓2種情況，方向受壓時(shí)導(dǎo)致縱向筋板失穩(wěn)，方向受壓時(shí)導(dǎo)致橫向筋板失穩(wěn)。

計(jì)算時(shí)先采用線性屈曲分析中的特征值屈曲分析，采用與壓桿失穩(wěn)法相同的基于近似線性彈性理論的失穩(wěn)分析法，目標(biāo)是求解結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)，然后將特征模態(tài)寫到結(jié)果文件作為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。由于工程應(yīng)用中發(fā)生一階屈曲時(shí)的臨界載荷即為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的最小臨界載荷，故只計(jì)算第一階屈曲，然后以屈曲模態(tài)形狀作為初始幾何缺陷，將其引入非線性屈曲分析中，采用Risks弧長(zhǎng)法求得屈曲臨界載荷。

4.2 引入幾何缺陷的求解理論

在線性特征值屈曲分析中，載荷會(huì)使模型剛度矩陣變得奇異，即式（1）具有非無(wú)效解。

式中：k為載荷施加時(shí)的切線剛度矩陣；v為非無(wú)效位移解。

特征值屈曲求解的目的是為了得到特征值，其值由式（2）確定。

引入式（2）中屈曲模態(tài)，生成幾何缺陷，式（3）表述缺陷幾何的擾動(dòng)網(wǎng)格：

式中：φ為第階模態(tài)形狀；ω為相應(yīng)的縮放因子。

比例載荷因子為求解結(jié)果，由式（4）迭代求解。

式中：歷史分析步終止載荷；P參考載荷矢量。

4.3 數(shù)值分析計(jì)算

分別在蓋體承受向水平載荷及向水平載荷兩種工況下計(jì)算扶強(qiáng)材的載荷比例系數(shù)（LPF）。計(jì)算后的結(jié)果曲線如下頁(yè)圖12和圖13所示，其中橫坐標(biāo)為分析步，縱坐標(biāo)為載荷比例系數(shù)。

圖12 X方向受載時(shí)LPF曲線

圖13 Y方向受載時(shí)LPF曲線

在圖12中，曲線第一次轉(zhuǎn)折在Arc Length=56，LPF=8.5處，即縱向筋板的臨界載荷比例系數(shù)為8.5。在圖13中，曲線第一次轉(zhuǎn)折在Arc Length=35，LPF= 10.6處，即橫向筋板的臨界載荷比例系數(shù)為10.6。由分析結(jié)果計(jì)算臨界屈曲載荷，結(jié)果如表5所示。

表5 臨界屈曲載荷

由上述計(jì)算結(jié)果，兩種工況下的臨界載荷比例系數(shù)均大于1。當(dāng)方向受載時(shí)，臨界屈曲載荷為238 kN，安全系數(shù)為8.5；當(dāng)方向受載時(shí)，臨界屈曲載荷為445.2 kN，安全系數(shù)為10.6。結(jié)果表明結(jié)構(gòu)在承受橫向載荷時(shí)具有足夠的屈曲強(qiáng)度。

5 結(jié) 論

根據(jù)本文所述思路設(shè)計(jì)的艙口蓋，生產(chǎn)后順利完成了動(dòng)作及密性試驗(yàn)，蓋體質(zhì)量約5 240 kg。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，蓋體保持了很好的剛度，啟閉時(shí)無(wú)可見(jiàn)彈性變形，關(guān)閉時(shí)鎖緊裝置可以順利壓緊密封條。

總結(jié)文中設(shè)計(jì)思路及校核中出現(xiàn)的不達(dá)標(biāo)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化方法，提出以下結(jié)論：

（1）文中艙口蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對(duì)具有類似設(shè)計(jì)需求的艙口蓋具有一定參考價(jià)值。

（2）對(duì)于質(zhì)量要求嚴(yán)苛的大開(kāi)口艙口蓋，部分量比例優(yōu)化可作為一種高效的手段指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作者進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。

圖14 艙口蓋試驗(yàn)狀態(tài)

（3）經(jīng)優(yōu)化對(duì)比，不同的筋板加強(qiáng)形式對(duì)于剛度的效果差異較大，T型材通過(guò)合理布置能在減輕質(zhì)量的同時(shí)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛性。但是，本文結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件厚度的選取及形式的應(yīng)用大多以經(jīng)驗(yàn)作為參考，后續(xù)可嘗試采用成熟的優(yōu)化方法進(jìn)行更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶剿鳌?/p>

（4）有限元計(jì)算時(shí)，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)文中類似應(yīng)力集中點(diǎn)時(shí)，可采取以下2種解決方式：一是使用燕尾式腹板末端，使應(yīng)力能更好傳遞；二是當(dāng)結(jié)構(gòu)中使用線與面搭接的設(shè)計(jì)形式時(shí)，應(yīng)設(shè)弧形自由邊釋放應(yīng)力。