袁亞銀，孫蘇龍，劉金鋒，馬世領(lǐng)

（1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.滬東中華（集團(tuán)）有限公司，上海 200129；3.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

0 引言

在傳統(tǒng)船舶工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，大多數(shù)情況下，依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算做出初步設(shè)計(jì)，但這種設(shè)計(jì)方法存在很多局限性，工裝設(shè)計(jì)上偏于保守，結(jié)構(gòu)形式存在較大的優(yōu)化空間[1-2]。

有限元法具有較好的求解穩(wěn)定性和收斂性，在分析接觸問題和非線性問題中尤顯其優(yōu)勢[3]。工裝設(shè)計(jì)中采用有限元分析，可對其在現(xiàn)場作業(yè)過程中各種危險(xiǎn)工況進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬，較為準(zhǔn)確直觀地得到其構(gòu)件的應(yīng)力分布及變形，特別對于結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜的工裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估具有較強(qiáng)優(yōu)越性。

隨著現(xiàn)場作業(yè)過程中分段、總段大型化，對于支撐座工裝的支撐受力與高度調(diào)節(jié)范圍要求更為苛刻，支撐座工裝設(shè)計(jì)是現(xiàn)場施工、設(shè)計(jì)部門亟待解決的問題。采用一套合理、安全、經(jīng)濟(jì)、高效的工裝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對于降低材料成本，保障施工作業(yè)安全具有十分重要的意義[4-5]。

1 原支撐座工裝結(jié)構(gòu)

某船廠典型Z型支撐座工裝一般安裝在船體分段、總段側(cè)面或者底部，作為總組和搭載時(shí)用于支撐分段、總段的臨時(shí)性工藝零件，其結(jié)構(gòu)一端與船體焊接，另一端坐落于支撐工裝之上。支撐座工裝連接船體結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場各類支撐工裝結(jié)構(gòu)，保證兩者之間力的傳遞，合理的支撐座工裝在保證支撐作業(yè)的安全性、減少結(jié)構(gòu)變形的前提下，其型式盡量簡單輕便。

在現(xiàn)場施工過程中，支撐座工裝結(jié)構(gòu)主要承受船體的壓力，其支撐座主板、防傾板以及底板結(jié)構(gòu)型式都對支撐座整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度存在不同程度的影響，如何確定合理的支撐座工裝結(jié)構(gòu)型式是現(xiàn)場工裝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。Z-5C型支撐座工裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某Z-5C型支撐座工裝結(jié)構(gòu)（單位：mm）

本文采用參數(shù)化分析方法，建立Z-5C型支撐座工裝結(jié)構(gòu)有限元模型，基于結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值計(jì)算，研究支撐座工裝線型角度、主板高度，防傾板高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對支撐座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。Z-5C型支撐座工裝結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)有限元分析

2.1 線型角度對支撐座強(qiáng)度的影響

根據(jù)Z-5C型支撐座工裝實(shí)際現(xiàn)場使用情況，該工裝船體線型角度一般在50°～90°范圍內(nèi)變化。為研究船體線型角度因素對承載能力的影響，本文針對50°、60°、75°、80°、85°、90°這6種線型角度工況下支撐座工裝進(jìn)行強(qiáng)度分析。

圖2 某Z-5C型支撐座工裝結(jié)構(gòu)有限元模型示意圖

由圖3支撐座工裝承載力隨船體線型角度的變化曲線可知，隨著船體線型角度的增加，支撐座最大應(yīng)力值先減少后增大（在線型角度75°處結(jié)構(gòu)型式存在突變，造成最大應(yīng)力值存在較大變化），線型角度極值處（50°）結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值最高。

圖3 Z-5C型支撐座工裝承載力隨船體線型角度變化曲線

不同的線型角度下，支撐座工裝最大承載力差異較大，對于該類支撐座工裝優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，若結(jié)構(gòu)型式存在較大突變，應(yīng)重點(diǎn)考慮線型變化的極值角度。

2.2 主板高度對支撐座強(qiáng)度的影響

由工裝結(jié)構(gòu)型式可知，主板高度可在400 mm～750 mm范圍變化，考慮到在90°線型角度工況下，主板高度變化對支撐座承力能力影響較大。因此，基于該線型角度工況進(jìn)行支撐座強(qiáng)度分析，圖4為最大應(yīng)力與最大承載力隨主板高度的變化曲線。

圖4 Z-5C型支撐座工裝受力隨主板高度變化曲線

由圖4可知，在主板高度為500 mm時(shí)，已滿足支撐座強(qiáng)度要求，其承載力隨著主板高度的增加而增大，在主板高度為650 mm臨界高度處，承載力達(dá)到最大值。

2.3 防傾板高度變化對支撐座強(qiáng)度的影響

由工裝結(jié)構(gòu)型式可知，防傾板高度在150 mm～360 mm范圍內(nèi)變化。由圖3可知，在50°線型角度工況下該支撐工裝最大應(yīng)力值最高，工況最為惡劣。因此，基于該線型角度工況進(jìn)行支撐座強(qiáng)度分析，圖5為支撐座工裝的最大應(yīng)力與最大承載力隨防傾板高度變化曲線。

圖5 Z-5C型支撐座工裝承載力隨防傾板高度變化曲線

相比主板高度的影響，防傾板高度變化對其支撐座承載力的影響相對較小，由圖5可知，其支撐座承載力隨著防傾板高度的增加而增大，但達(dá)到某一臨界高度后將逐漸減少，最大應(yīng)力值反之。

3 支撐座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

船體支撐座工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)從支撐座本身結(jié)構(gòu)型式上改進(jìn)，使其具備尺寸小、重量輕、用料省、安全可靠和裝拆方便等優(yōu)點(diǎn)[6]?；诮Y(jié)構(gòu)參數(shù)有限元分析，主要從主板結(jié)構(gòu)尺寸、防傾板尺寸和底板尺寸對支撐座工裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析。支撐座工裝設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

3.1 主板尺寸優(yōu)化

考慮到主板高度對支撐座承載力影響較大，為確定最佳的主板尺寸（高度與厚度），本文針對以下2種典型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化研究，見表1。

主板高度為500 mm時(shí)，該方案下支撐座工裝剛好滿足強(qiáng)度要求；主板高度為650 mm，該方案下支撐座工裝承載力達(dá)到最大值。

圖6 支撐座工裝設(shè)計(jì)流程

表1 不同方案下的支撐座主板尺寸（高度與厚度）

上述2種方案下支撐座工裝最大應(yīng)力值與最大承載力隨主板厚度的變化曲線如圖7和圖8所示?；谘芯拷Y(jié)果，在設(shè)計(jì)載荷相同的情況下，相較于方案1，方案2中主板的結(jié)構(gòu)重量降低10%，用料較省。

3.2 防傾板尺寸優(yōu)化

為進(jìn)一步確定支撐座工裝防傾板厚度，本文針對50°和90°這2種線型角度工況進(jìn)行強(qiáng)度分析（圖9）。

圖7 方案1，Z-5C型支撐座工裝承載力隨主板厚度變化

圖8 方案2，Z-5C型支撐座工裝承載力隨主板厚度變化

圖9 Z-5C型支撐座工裝承載力隨防傾板厚度變化曲線

3.3 底板尺寸優(yōu)化

為探討支撐座工裝底板板厚對其承載力的影響，對多種厚度底板的支撐座工裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬，最大應(yīng)力值與最大承載力隨防傾板厚度的變化曲線如圖10所示。

圖10 Z-5C型支撐座工裝受力隨底板厚度變化曲線

3.4 支撐座優(yōu)化尺寸確定和有限元分析

基于Z-5C型支撐座結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對其承載力的影響研究，最終確定支撐座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸如下：

1）主板高度由600 mm增加至650 mm，板厚由22 mm減小至18 mm。

2）防傾板高度由360 mm減小至240 mm，板厚由16 mm減少至10 mm。

3）底板板厚由22 mm減少至14 mm。

圖11給出了優(yōu)化后的Z-5C型支撐座的結(jié)構(gòu)型式及結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值，由該支撐工裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖可知，優(yōu)化后的支撐座主板以及防傾板結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布較為平緩，該工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理，滿足支撐座工裝使用的強(qiáng)度要求。

圖11 支撐座結(jié)構(gòu)優(yōu)化與有限元計(jì)算結(jié)果（Z-5C型）

4 優(yōu)化前、后Z型支撐座工裝比較

按照上述Z-5C支撐座工裝優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則和方法，進(jìn)一步對Z-5A和Z-5B型支撐座工裝結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體優(yōu)化方案如圖12所示，表2對典型Z型支撐座工裝優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)尺寸、支撐座重量進(jìn)行了匯總比較。

綜上所述，在設(shè)計(jì)載荷相同的情況下，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后Z-5A、Z-5B和Z-5C型支撐座工裝的結(jié)構(gòu)重量可分別降低19.4%、39.9%和30.2%，優(yōu)化效果較為明顯。

圖12 支撐座結(jié)構(gòu)優(yōu)化尺寸示意圖

表2 優(yōu)化前、后支撐座結(jié)構(gòu)尺寸以及有限元結(jié)果對比

5 結(jié)論

本文旨在通過Z型支撐工裝的研究與優(yōu)化工作，為類似的現(xiàn)場工裝設(shè)計(jì)提供一定思路?；趦?yōu)化前、后支撐座結(jié)構(gòu)尺寸及重量對比，現(xiàn)場支撐座工裝結(jié)構(gòu)型式尚存在較大的優(yōu)化空間，建議在類似工裝設(shè)計(jì)過程中結(jié)合理論計(jì)算分析，優(yōu)化現(xiàn)場工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。