趙超，曾文源，王平，范嘯平

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

現(xiàn)有對方艙結構性能的分析大多都基于陸用方艙。對于陸用的車載方艙，其承受載荷主要為內(nèi)部設備的質(zhì)量及運輸過程中產(chǎn)生的慣性力。陸用方艙主要靠底板和框架結構承受載荷，大部分的研究工作也都針對框架結構[1，2]。船用方艙，一般安裝于露天甲板上，搭載環(huán)境的不同，使其結構的設計載荷有別于陸用方艙，除了設備的載荷外，還應考慮隨船運動的慣性載荷、高海況下的上浪載荷等。海上的環(huán)境比陸上的環(huán)境復雜得多。方艙上艦后，可以視為船體的一部分，按船體結構設計的思路去設計。本文僅討論方艙側(cè)壁的結構設計，主要從以下幾方面來考慮。

1)結構的安全性。側(cè)壁結構應具有足夠的強度。保證在搭載期間，遭遇高海況下上浪載荷時，側(cè)壁結構不受破壞。

2)結構的變形要求。方艙內(nèi)部空間緊張，設備與側(cè)壁間的空間狹小。側(cè)壁結構在承受載荷時過大變形會影響到內(nèi)部設備，可能會導致設備使用異常，甚至損壞設備。因此，側(cè)壁應保證一定的剛度，以免出現(xiàn)過大變形。

3)結構的振動控制。船上主要激勵源有螺旋槳軸頻和葉頻激勵、主發(fā)電機柴油機一階二階不平衡力和力矩、推進電機激勵。為了避免發(fā)生共振，而影響設備的工作環(huán)境，應使方艙側(cè)壁的振動固有頻率避開上述船體主要激勵頻率。

4)結構防火的考慮。方艙作為獨立的工作艙室，置于艦船的開闊甲板上，根據(jù)《國際海上人命安全公約》[3]的規(guī)定，方艙艙壁應為“A-0”級防火分隔，《國際耐火試驗程序應用規(guī)則》[4]對“A” 分隔的結構尺度有著明確的最小要求。

5)結構重量的控制。過重的加載會改變船體的質(zhì)量分布，影響船舶總縱強度。為方便裝卸、吊運，功能模塊一般置于露天甲板上，使得船體的重心高度上升，對穩(wěn)性產(chǎn)生不利影響。在滿足結構性能的要求下，應控制方艙質(zhì)量。

1 側(cè)壁設計載荷分析

將方艙視為船體的上層建筑，其側(cè)壁受到的上浪載荷可參考露天的上層建筑端壁和甲板室圍壁(端壁和側(cè)壁)的設計載荷進行計算。

參照CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2018)[5]，方艙側(cè)壁載荷的計算壓頭為

h=αδ(βλ-γ)

(1)

式中：α、β、λ、δ為系數(shù)，與母船的主尺度以及方艙安裝的位置有關。

系數(shù)α按下式計算。

α=0.006 7L1+0.5

(2)

式中：L1為船長，m，取值不必大于300 m。

系數(shù)β按下式計算。

(3)

(4)

式中:L為船長，m；X為艉垂線至考慮側(cè)壁的距離，m，對方艙側(cè)壁，應量至側(cè)壁長度的中點處；Cb為方形系數(shù)，當Cb<0.6時，取0.6；當Cb>0.8時，取0.8。

系數(shù)λ按下式計算。

(5)

(6)

λ=11.03，當L≥300 m時

(7)

式中：L為船長，m。

系數(shù)δ按下式計算。

(8)

式中：b為所考慮位置的甲板室寬，m；B1為船舶的露天甲板在所考慮位置處的最大實際寬度，m。

對于上層建筑、機艙棚的露天部分和保護泵艙開口的甲板室應取δ=1。

方艙側(cè)壁載荷的計算壓頭除了按式(1)計算外，還應不小于表1計算值。

表1 計算壓頭的最小值 m

2 側(cè)壁結構型式對比分析

為保證方艙能快速裝卸、轉(zhuǎn)運、堆碼等操作，一般方艙外形尺寸選用標準集裝箱尺寸。以某船為搭載平臺，將TEU標準外形尺寸(6 058 mm×2 438 mm×2 591 mm)的方艙安裝于甲板舯后部區(qū)域某一位置處，方艙長邊沿船長方向布置，見圖1。采用第2節(jié)的計算方法，得出該方艙側(cè)壁的上浪載荷。

圖1 方艙安裝位置示意

2.1 結構型式分析

艦載方艙的側(cè)壁結構主要采用2種型式。

1)加筋板結構型式。加筋板的結構型式多用于船舶的結構設計，為了滿足強度、剛度的要求，加強筋的間距及尺寸都會有一定的要求。加強筋會占用艙室部分空間，也會增大結構重量。加筋板結構型式見圖2。

圖2 加筋板結構示意

2)波紋板結構型式。波紋板結構形式多用于集裝箱和陸用方艙，有著良好的強度、剛度，且占用空間較小，質(zhì)量較輕等優(yōu)點。波紋板一般是由普通鋼板軋制而成。波紋板結構型式及波紋的相關參數(shù)見圖3、4。

圖3 波紋板結構示意

圖4 波紋板主要參數(shù)示意

2.2 結構性能對比分析

《國際耐火試驗程序應用規(guī)則》對結構“A-0”級防火的結構尺度的有著最小要求，要求艙壁板厚應不小于4 mm。給出加筋板的尺度和波紋板的主要尺寸，2種方案的結構重量相等。見表2。

表2 加筋板和波紋板的結構方案

以某20 ft方艙為例，不計側(cè)面的框架結構，側(cè)壁板的實際尺寸為：5 738 mm×2 221 mm。

采用MSC.Patran建立加筋板和波紋板的有限元模型[6,7]。為準確模擬波紋形狀，波紋板和加筋板模型網(wǎng)格尺寸均為50 mm×50 mm，加強筋用梁單元進行模擬。

材料采用屈服強度為235 MPa的普通船用CCSA級鋼，結構材料彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，材料密度為7.85×10-9t/mm3。2種結構型式的有限元模型見圖5、6。

圖5 加筋板有限元模型

圖6 波紋板有限元模型

側(cè)壁板的四周與方艙框架結構連接，實際邊界條件介于簡支與固支之間。本文不探討邊界條件的影響，僅對比分析在相同邊界條件和載荷下，不同結構型式側(cè)壁板的力學性能。假定板的邊界約束條件為四周簡支。板架固有頻率計算四周簡支，無載荷。

上浪時，方艙整個側(cè)面承受載荷，因此，將第2節(jié)計算得到的載荷滿鋪均勻施加于模型上。主要計算結果見表3。

表3 加筋板和波紋板的計算結果

由表3可知，在相同的載荷作用下，波紋板的最大應力值和最大變形值比加筋板的要小；另外波紋板的一階振動固有頻率較加筋板大，能更易實現(xiàn)對母船的激勵源頻率的高避。

對于相同重量下的加筋板和波紋板，其結構型式帶來的結構性能方面的差異較大。相比而言，波紋板在強度、剛度和固有頻率等方面都更為滿足設計需求。

3 波紋板結構型式分析

波紋板結構與槽型艙壁結構類似，但方艙側(cè)壁和槽型艙壁考慮的載荷不同，因此,槽型艙壁的相關規(guī)范要求不可完全借用。波紋板的定義參數(shù)較多，如何取值沒有確切可依的規(guī)范[8-10]。因此，本節(jié)采用有限元直接計算對波紋的面板與腹板的夾角、面板寬度及波紋深度等主要參數(shù)對結構性能的影響進行研究。計算方法同2.2。

3.1 腹板與面板夾角的影響分析

對上述尺寸的波紋板。研究腹板與面板夾角的變化對結構性能的影響。波紋板是用鋼板沖壓形成，從工藝角度來看，夾角范圍為0°～90°。因此，保持波紋的腹板寬度及波紋深度不變，夾角從15°～90°每隔15°變化。分析工況見表4。工況1～5波紋板形狀與圖7從上至下依次對應。

表4 不同夾角工況說明

圖7 不同夾角的波紋板示意

不同夾角計算結果見表5。

表5 不同夾角計算結果

由表5可見，隨著波紋板夾角的增加，應力水平和最大變形下降明顯。板架固有頻率和重量隨夾角增大而增大。夾角越接近于90°越有利于板架的強度和剛度。圖7所示夾角越大，波紋數(shù)越多，從而增大了板架的強度和剛度。

各工況下結構性能參數(shù)計算結果相對于質(zhì)量的比率，反映了增加單位質(zhì)量時，各性能的變化量，見表6。

表6 不同夾角下各性能參數(shù)相對重量的比率

表6中顯示工況1～2時板架結構增加單位質(zhì)量時，性能的提高幅值是最大的，工況2之后再增加質(zhì)量，性能的優(yōu)化幅度減少。工況2方案是最為經(jīng)濟有效的選擇。在滿足結構設計要求的前提下，波紋腹板與面板的夾角取30°時最為經(jīng)濟有效。

3.2 面板寬度的影響分析

經(jīng)上分析，波紋的腹板與面板的夾角取為30°，保持波紋深度不變，波紋面板寬度從50～250 mm變化。分析工況見表7。工況6～10波紋板形狀與圖8從上至下依次對應。

表7 不同面板寬度工況說明

圖8 不同面板寬度的波紋板示意

波紋板在設計載荷作用下的結構性能計算結果見表8。隨著面板寬度的增加，最大應力值下降明顯，在面板寬度為200 mm時存在最小值；最大變形值在面板寬度為150 mm時達到最小值，且整體變化幅度不大；板架的整體重量隨面板寬度的變化變化幅值不大。相較而言，方艙內(nèi)部空間緊張，側(cè)壁變形要求相對嚴苛，權衡考慮，選取面板寬度為150 mm。

表8 不同面板寬度計算結果

3.3 波紋深度的影響分析

波紋面板寬度、夾角保持不變，波紋深度取30、50、80和100 mm 4種工況。工況11～14波紋形狀見表9與圖9。

表9 不同波紋深度工況說明

圖9 不同波紋深度的波紋板示意

在設計載荷作用下不同波紋深度波紋板的計算結果見表10。

表10 不同波紋深度計算結果

隨著波紋深度的增加，最大應力值和變形值下降明顯，板架的整體質(zhì)量變化幅值不大。

波紋深度的變化對應力值和變形值的影響較大，增大波紋深度可有效增強結構性能。但實際設計過程中，波紋深度直接影響了方艙內(nèi)部空間，波紋深度越小，內(nèi)部空間越充足，因此，在滿足結構性能的前提下，波紋深度理應越小越好。

4 結論

1)艦載方艙側(cè)壁的結構設計，因其使用環(huán)境的特殊性，其設計要求應等同于船體，設計載荷按上建側(cè)壁承受的載荷考慮。

2)對于相同質(zhì)量下的加筋板和波紋板，波紋板在強度、剛度、固有頻率等方面都存在一定的優(yōu)勢。

3)波紋夾角的增大有利于波紋的結構性能；權衡性能與重量的考慮，波紋腹板和面板為30°時，為最經(jīng)濟合理的方案。

4)對所選定的波紋板，存在最佳的面板寬度使波紋板架最大應力值最小，同時也存在另一最佳的面板寬度使波紋板架在載荷作用下變形值最小。實際設計應權衡考慮應力水平與變形的要求，選擇較優(yōu)方案。

5)波紋深度的變化對最大應力值和最大變形值的影響較大，增大波紋深度可有效增強結構性能。但實際設計過程中，波紋深度受到方艙內(nèi)部空間的制約。