集裝箱船典型艙口蓋定位銷(xiāo)支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析簡(jiǎn)化方法

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(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院， 上海 200011)

集裝箱船在航行的過(guò)程中，由于船體的橫搖及縱搖運(yùn)動(dòng)，艙口蓋會(huì)有相對(duì)于主船體的滑動(dòng)，定位銷(xiāo)的作用就是抑制這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)。他們之間的相互作用可以簡(jiǎn)化為以下過(guò)程：艙口蓋上所系固的貨物和艙口蓋由于船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的橫向力和縱向力，通過(guò)定位銷(xiāo)把載荷傳遞到艙口圍結(jié)構(gòu)及定位銷(xiāo)支撐結(jié)構(gòu)上，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要根據(jù)載荷大小合理設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)形式和尺寸[1]。目前規(guī)范中還沒(méi)有關(guān)于定位銷(xiāo)支撐結(jié)構(gòu)板厚的計(jì)算公式，隨著集裝箱船尺度[2]與甲板上集裝箱堆重[3]的逐漸增大，傳遞到定位銷(xiāo)上的載荷也在增大，對(duì)于20 000 TEU級(jí)的集裝箱船，定位銷(xiāo)所承受的載荷可以達(dá)到500 kN左右。目前在設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往只能根據(jù)定位銷(xiāo)載荷參照母型船進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用有限元分析計(jì)算來(lái)校核構(gòu)件尺寸。由于定位銷(xiāo)附件艙口蓋墊塊及綁扎橋立柱的加強(qiáng)較多，建立細(xì)網(wǎng)格模型費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為此，考慮通過(guò)有限元分析的方法，對(duì)現(xiàn)有定位銷(xiāo)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，歸納出支撐結(jié)構(gòu)板厚、最大應(yīng)力及載荷之間的經(jīng)驗(yàn)公式，并通過(guò)實(shí)船數(shù)據(jù)對(duì)公式進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出新型的支撐結(jié)構(gòu)形式，總結(jié)出該支撐形式的經(jīng)驗(yàn)公式，為今后的定位銷(xiāo)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 典型定位銷(xiāo)支撐結(jié)構(gòu)形式

集裝箱船典型定位銷(xiāo)支撐結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，主要包括艙口圍頂板的嵌入厚板ttop(頂板)，橫艙壁的嵌入厚板ty(橫向板)和沿船長(zhǎng)方向的縱向板tx。設(shè)計(jì)中這3個(gè)板厚往往取值相同。

圖1 集裝箱船典型定位銷(xiāo)支撐結(jié)構(gòu)示意

2 定位銷(xiāo)的載荷

根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范 第二分冊(cè)》第2.20.2.9小節(jié)中的第(2)點(diǎn)[4]，定位銷(xiāo)上2個(gè)方向(y為橫向，x為縱向)的力的取值分別為

Fx=0.2mgFy=0.5mg

式中：m為艙口蓋上所系固貨物的質(zhì)量和艙口蓋的質(zhì)量總和；g為重力加速度。

實(shí)際上艙蓋非定位銷(xiāo)的一端設(shè)有橫向限位裝置，承受一半的橫向載荷。因此，作用在定位銷(xiāo)上的力實(shí)際取為Fx=0.2mg,Fy=0.25mg。于是，F(xiàn)y與Fx的比值為1.25。

關(guān)于后續(xù)計(jì)算中載荷的選取，依據(jù)某超大型集裝箱船上的定位銷(xiāo)結(jié)構(gòu)，選為

Fx=3 200 kN，F(xiàn)y=4 000 kN。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，定位銷(xiāo)高于艙口圍板的部分可以大概分為上半部的圓臺(tái)和下半部的圓柱部分，圓臺(tái)的主要作用是在艙口蓋裝載時(shí)起導(dǎo)向作用，在航行過(guò)程中，與艙口蓋結(jié)構(gòu)并無(wú)接觸。而下半部分的圓柱在艙口蓋運(yùn)動(dòng)時(shí)起限位作用，承受主要的載荷，考慮到定位銷(xiāo)本身的剛度極大以及高度很小，加載方式可以近似為集中力的形式，施加的位置在定位銷(xiāo)圓柱部分的一半高度處。

3 板厚與最大應(yīng)力及載荷間的關(guān)系

板厚t和最大應(yīng)力σ關(guān)系為[5]

tn·σ=C

(1)

式中：n為需要根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)歸納出的常數(shù)；C為與結(jié)構(gòu)本身以及載荷相關(guān)的常數(shù)。

考慮結(jié)構(gòu)與載荷的線性關(guān)系，在某一固定板厚下最大應(yīng)力值應(yīng)該與外力成正比，即

σ=αFx+βFy=K0Fy

(2)

由此，將式(1)變化為

tn·σ=KFy

(3)

式中：K為只與結(jié)構(gòu)本身屬性相關(guān)的常數(shù)，K=K0tn。

4 典型定位銷(xiāo)支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

有限元模型中，定位銷(xiāo)使用體單元模擬，艙口圍結(jié)構(gòu)使用板單元模擬，見(jiàn)圖2。

體單元和板單元的連接的處理方式是在連接處的體單元內(nèi)建立重復(fù)的板單元，根據(jù)以往的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，由于定位銷(xiāo)的剛度很大，重復(fù)的板單元對(duì)定位銷(xiāo)與艙口圍結(jié)構(gòu)間的應(yīng)力傳導(dǎo)影響很小。

按照典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，艙口圍頂板、橫向板和縱向板分別取12、23、35 mm 3個(gè)不同板厚進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：

1)頂板和橫向板的應(yīng)力峰值水平接近，差距約為10%；

2)縱向板應(yīng)力峰值僅為頂板的30%～50%，且應(yīng)力集中現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，只有與定位銷(xiāo)連接的周?chē)?個(gè)單元有較大應(yīng)力，其他部分應(yīng)力很小。

由此認(rèn)為，在以往的設(shè)計(jì)中，將縱向板厚度的取值與其他2板相同會(huì)導(dǎo)致材料的大量浪費(fèi)?？紤]到頂板和橫向板的應(yīng)力峰值差距僅為10%，可以將這2塊板的厚度保持一致。

將橫向板和頂板厚度分別取12、 23、35 mm，對(duì)這3種厚度分別讓縱向板厚度從12到35 mm變化，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 合成應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果得到如下結(jié)論。

1)橫向板和頂板厚度越大，縱向板厚度的變化對(duì)他們的應(yīng)力峰值影響越小?？疾鞕M向板和頂板厚度最小的情況(12 mm)，隨著縱向板厚度的增大，應(yīng)力峰值僅僅減小了4.5%。而隨著橫向板和頂板厚度的增大，上述變化幅度將更小。因此認(rèn)為，縱向板厚度的變化對(duì)其他2板應(yīng)力峰值并無(wú)影響。

2)橫向板和頂板是主要受力結(jié)構(gòu)，決定著結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的分布。

任取1個(gè)縱向板厚度，針對(duì)不同的橫向板和頂板厚度進(jìn)行有限元計(jì)算，最后歸納板厚與應(yīng)力關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。采取偏于保守的做法，取縱向板厚度為12 mm，這時(shí)橫向板和頂板中應(yīng)力峰值最大，然而至多只比最小值大4.5%。橫向板和頂板的取值范圍為12～35 mm，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 定位銷(xiāo)典型支撐結(jié)構(gòu)板厚經(jīng)驗(yàn)公式常數(shù)歸納

(4)

在使用式(4)時(shí)，需要首先得知定位銷(xiāo)的載荷，然后確定σtop，在有限元分析中使用的是50 mm×50 mm的網(wǎng)格。由于目前并沒(méi)有統(tǒng)一的集裝箱船有限元分析的規(guī)范，因此，在實(shí)船設(shè)計(jì)過(guò)程中可以參考共同規(guī)范HCSR中關(guān)于局部結(jié)構(gòu)細(xì)網(wǎng)格分析的相關(guān)要求[6]，σtop最大可以取為1.5Reh(Reh為材料的屈服強(qiáng)度)。

為了驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式的適用性，選擇4型實(shí)船A、B、C、D結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，其定位銷(xiāo)支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)有限元計(jì)算，均可以滿足規(guī)范的要求，計(jì)算對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 板厚經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證

由圖4可見(jiàn)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式得到的板厚接近實(shí)船設(shè)計(jì)的板厚，差值小于5%，滿足工程應(yīng)用要求。

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化形式及板厚經(jīng)驗(yàn)公式

典型定位銷(xiāo)支撐結(jié)構(gòu)中縱向板應(yīng)力較小，且應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，因此，對(duì)典型的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將原先位于橫艙壁間縱向板的尺寸大幅減小，直接采用肘板形式而不再向相鄰艙壁延伸，見(jiàn)圖5。

圖5 優(yōu)化后的縱向板結(jié)構(gòu)示意

針對(duì)以上優(yōu)化設(shè)計(jì)方案重復(fù)與經(jīng)典結(jié)構(gòu)相同的有限元計(jì)算分析過(guò)程，得到優(yōu)化結(jié)構(gòu)頂板板厚的經(jīng)驗(yàn)公式

(4)

由于縱向板面積大幅減小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式頂板和橫向板的板厚略有增加，達(dá)到7%，但相較縱向板減小的重量與頂板和橫向板增加的重量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)仍可以起到減重的作用。