基于有限元方法的滾裝船片體分段疊層放置方案設(shè)計(jì)

周立師,周征兵,郭信強(qiáng),謝勇,項(xiàng)占一,周一帆,楊卓懿

(1.招商局金陵船舶(威海)有限公司,山東 威海 264200;2.山東交通學(xué)院 船舶與港口工程學(xué)院,山東 威海 264200)

滾裝船設(shè)計(jì),為了滿(mǎn)足車(chē)輛通行及停放的需求船艙區(qū)域內(nèi)往往不設(shè)置橫艙壁,為了裝載更多的小汽車(chē)提高運(yùn)輸率,會(huì)設(shè)計(jì)多層甲板[1-3](包括固定甲板和活動(dòng)甲板),且甲板片體分段的數(shù)量較多,尺寸較大。如果每個(gè)片體分段都獨(dú)立放置于分段場(chǎng)地,所需場(chǎng)地很大。根據(jù)分段建造周期、分段放置情況無(wú)法滿(mǎn)足場(chǎng)內(nèi)片體分段的放置任務(wù)。為了減輕分段場(chǎng)地分段放置壓力,甲板片體分段舾裝完成之后將片體分段使用支墩將其疊層放置于分段場(chǎng)地,并采用片體堆疊形式進(jìn)行打砂及噴漆作業(yè),從而提升砂房效率,節(jié)約建造過(guò)程中的場(chǎng)地資源。

滾裝船基本不裝載人員或貨物,汽車(chē)甲板上所承受的載荷小[4],因此滾裝船的甲板多為高強(qiáng)度的輕薄型板[5]。薄板片體在建造以及下料、焊接、放置和轉(zhuǎn)運(yùn)等工序中都有可能由于板材受力不均勻引起片體結(jié)構(gòu)變形[6-7],因此在片體結(jié)構(gòu)疊層放置時(shí)除了需要滿(mǎn)足強(qiáng)度要求外要充分考慮將變形量控制在允許范圍之內(nèi)[8]。為確保片體分段疊層放置方案設(shè)計(jì)合理,避免放置和涂裝作業(yè)過(guò)程造成片體分段結(jié)構(gòu)破壞和安全問(wèn)題,利用有限元方法對(duì)放置和涂裝作業(yè)過(guò)程中的片體分段結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析預(yù)報(bào),評(píng)估疊層放置方案的可操作性、安全性和經(jīng)濟(jì)性等,提出合理的控制片體結(jié)構(gòu)變形措施。

1 片體結(jié)構(gòu)放置方案

1.1 滾裝船片體分段結(jié)構(gòu)情況

滾裝船片體分段共有315個(gè),共計(jì)12層甲板,分為固定甲板分段和活動(dòng)甲板分段,薄板片體分段主要分布在上層建筑區(qū)域,厚板分段多分布在固定甲板區(qū)域,見(jiàn)表1～2。

表1 滾裝船片體分段固定甲板列表

表2 滾裝船片體分段活動(dòng)甲板列表

滾裝船所有片體分段均為縱骨架式,縱骨間距為750 mm,橫梁間距為3 200 mm,每個(gè)片體分段一般都有4道橫梁結(jié)構(gòu),片體長(zhǎng)度為10～20 m不等,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 滾裝船片體分段結(jié)構(gòu)示意

1.2 疊層放置方案

甲板平面分段舾裝完成之后將片體分段使用支墩和分段托架將其疊層放置于分段場(chǎng)地,片體分段與馬凳和支墩接觸處放置墊木以避免結(jié)構(gòu)發(fā)生剛性破壞?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境、馬腿和支墩自身的安全負(fù)荷及片體大小等因素的限制,對(duì)片體分段疊層放置設(shè)有如下要求。

1)片體分段疊層放置的層數(shù)不超過(guò)三層,且三層片體分段加支墩總重量不得大于馬腿的安全負(fù)荷130 t。

2)對(duì)于不同長(zhǎng)度片體分段,采用對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的龍門(mén)托架作為支撐,對(duì)于長(zhǎng)度超過(guò)11 m的片體分段,采用加長(zhǎng)設(shè)計(jì)的龍門(mén)托架作為支撐。

3)需考慮支墩與托架對(duì)片體支撐是否為均勻受力,防止片體分段因受力不均而發(fā)生變形,還需考慮上層結(jié)構(gòu)尺寸盡量與下層片體分段結(jié)構(gòu)尺寸相近。

4)若板厚一致則片體分段面積大、重量大的放置于最下層,中層與最上層次之。

片體分段疊層布置方案示意于圖2。

圖2 布置方案示意

2 有限元模型

優(yōu)先選用四邊形單元,局部結(jié)構(gòu)輔以三角形單元;模型有限元的網(wǎng)絡(luò)單元尺寸為150 m×150 mm,對(duì)于托架、支墩和片體結(jié)構(gòu)接觸及容易發(fā)生應(yīng)力集中的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化,見(jiàn)圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)疊層放置有限元模型

分析片體結(jié)構(gòu)疊層放置的載荷條件時(shí),主要考慮兩方面的載荷:①分段片體結(jié)構(gòu)和支墩結(jié)構(gòu)的自重載荷;②噴砂除銹時(shí)的作業(yè)載荷(包括人員載荷和鋪砂載荷),見(jiàn)圖4。

圖4 載荷施加示意

邊界條件。根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力工況確定結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算的邊界條件,即單元節(jié)點(diǎn)的6自由度運(yùn)動(dòng)約束。在分段片體疊層放置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中,在龍門(mén)托架底部設(shè)置位移約束條件。出于模擬結(jié)果較為安全的考慮,位移的約束條件設(shè)為鉸支,即在X、Y、Z三方向位移固定,Rx、Ry、Rz三方向轉(zhuǎn)角自由。

3 計(jì)算結(jié)果及方案設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)的校核準(zhǔn)則

1)應(yīng)力校核準(zhǔn)則。板單元的應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)為

σeq≤σs/N

(1)

其中:σx為單元x方向的應(yīng)力,N/mm2;σy為單元y方向的應(yīng)力,N/mm2;τxy為單元xy平面的剪應(yīng)力,N/mm2。

滾裝船片體結(jié)構(gòu)用材為AH36鋼,屈服強(qiáng)度為355 MPa,取1.5倍的安全系數(shù),其校核標(biāo)準(zhǔn)為

σeq≤σs/N,即σeq=236.6 MPa。

2)變形校核準(zhǔn)則。結(jié)構(gòu)變形量為

(2)

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中受彎構(gòu)件的撓度容許值,平臺(tái)板撓度容許值為L(zhǎng)/150,L為受彎構(gòu)件的跨度(對(duì)懸臂梁和伸臂梁為懸臂長(zhǎng)度的2倍)。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)疊層放置滾裝船分段片體結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行不同作業(yè)工況有限元計(jì)算。選取在頂層片體涂裝作業(yè)工況,片體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形見(jiàn)圖5、6。

圖5 厚板片體結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形分布

由圖5可見(jiàn),厚板片體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為48.3 MPa,小于其許用應(yīng)力236.6 MPa滿(mǎn)足疊層放置和作業(yè)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求;結(jié)構(gòu)最大變形值為4.2 mm,遠(yuǎn)小于允許值42.6 mm。可見(jiàn)這種疊層放置方案對(duì)厚板片體分段滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求。

由圖6可見(jiàn):薄板片體片體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為180.0 MPa,小于其許用應(yīng)力236.6 MPa,滿(mǎn)足疊層放置和作業(yè)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求;分段片體結(jié)構(gòu)的最大變形值為186.3 mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其允許產(chǎn)生變形的許用值64.0 mm?？梢?jiàn)這種疊層放置方案在涂裝作業(yè)時(shí)雖然能滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)強(qiáng)度的要求,但會(huì)使薄板片體產(chǎn)生較大的變形。

圖6 薄板片體結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形分布

若是薄板片體變形不可恢復(fù),則會(huì)對(duì)甲板片體的后續(xù)工序產(chǎn)生影響,嚴(yán)重的變形會(huì)導(dǎo)致薄板片體的返工修復(fù),甚至需要換新板。因此,有必要對(duì)薄板片體分段疊層放置方案進(jìn)行以控制變形為目的支撐加強(qiáng)方案設(shè)計(jì)。

3.3 支撐加強(qiáng)方案設(shè)計(jì)

為了減小片體分段薄板的變形最簡(jiǎn)單的支撐加強(qiáng)方案就是直接在片體結(jié)構(gòu)強(qiáng)結(jié)構(gòu)處和外懸較大的端部增設(shè)支墩,由原來(lái)的4個(gè)支墩支撐變?yōu)?個(gè)支墩支撐。經(jīng)有限元計(jì)算驗(yàn)證也是滿(mǎn)足變形量控制要求的,但廠(chǎng)內(nèi)現(xiàn)有支墩無(wú)法滿(mǎn)足翻倍數(shù)量的需求,重新制作新的支墩勢(shì)必會(huì)造成鋼材和人工成本增加?？紤]到上述因素及工期的影響,采用易于加工且?guī)齑嬗嗔铣渥愕膱A鋼管來(lái)支撐片體結(jié)構(gòu),方案布置見(jiàn)圖7。

圖7 加強(qiáng)后的布置方案

對(duì)加強(qiáng)后的薄板片體疊層放置方案進(jìn)行有限元模擬計(jì)算,仍是以頂層片體涂裝作業(yè)時(shí)的工況為例來(lái)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。多次有限元模擬驗(yàn)證計(jì)算表明,若要達(dá)到變形控制的要求,用于支撐加強(qiáng)的圓鋼管的規(guī)格不可小于直徑×壁厚為121 mm×7 mm,支撐加強(qiáng)后片體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 加強(qiáng)后薄板片體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移分布

由圖8可見(jiàn),片體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力值,滿(mǎn)足其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求;分段片體結(jié)構(gòu)的最大變形值為26.2 mm,也小于其允許產(chǎn)生變形的許用值33.0 mm,滿(mǎn)足變形控制的要求?？梢?jiàn)采用增設(shè)圓鋼管支撐是滿(mǎn)足疊層放置方案強(qiáng)度、變形和安全需求的。

4 結(jié)論

大型滾裝船甲板片體分段的數(shù)量較多且尺寸較大,采用片體疊層放置方案既能解決分段場(chǎng)地限制的問(wèn)題,又可為后續(xù)涂裝作業(yè)的有序進(jìn)行創(chuàng)造便利條件,同時(shí)也為建造周期節(jié)約時(shí)間。薄板片體分段疊層放置時(shí)采用圓鋼管對(duì)片體分段支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng),圓鋼管支撐結(jié)構(gòu)易于加工且?guī)齑娑?既滿(mǎn)足了變形控制的要求,又可清除庫(kù)存,有效節(jié)約成本。為保證現(xiàn)場(chǎng)片體分段疊層放置安全,防止變形,設(shè)有專(zhuān)題小組做現(xiàn)場(chǎng)操作前的部署準(zhǔn)備工作,并制定片體安全放置操作規(guī)程。

滾裝船分段片體的存放和砂房涂裝作業(yè)是滾裝船建造的重要環(huán)節(jié)之一。在片體分段疊層放置方案設(shè)計(jì)階段對(duì)方案進(jìn)行有限元仿真模擬計(jì)算,對(duì)保證作業(yè)安全性,提高方案的可行性和合理性等均具有重要意義。