徐 峰，陳 偉，葉步永，胡文鳳

(1.舟山市知?jiǎng)?chuàng)科技開(kāi)發(fā)有限公司，浙江 舟山 316004；2.舟山海之帆造船技術(shù)有限公司，浙江 舟山 316004；3.揚(yáng)帆集團(tuán)股份有限公司，設(shè)計(jì)研究院，浙江 舟山 316004)

0 引 言

汽車(chē)滾裝船是指通過(guò)跳板采用滾裝方式裝卸貨車(chē)輛的船舶，因此艉門(mén)的布置是汽車(chē)滾裝船的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，其要求在符合坡道、長(zhǎng)度、寬度的基礎(chǔ)上，盡量低的位置。滾裝船具體裝卸貨效率高，船舶周轉(zhuǎn)快和水路直達(dá)聯(lián)運(yùn)方便等優(yōu)點(diǎn)，為方便裝卸貨，大型汽車(chē)滾裝船的艉門(mén)通常設(shè)于尾部且中部配有邊門(mén)，設(shè)有鉸接跳板與岸搭接，方便車(chē)輛裝卸。

7800車(chē)汽車(chē)滾裝船是現(xiàn)存的世界上最大的柔性結(jié)構(gòu)的汽車(chē)滾裝船，該船全長(zhǎng)199.90 m、型寬35.45 m、型深34.275 m，全船分為13層甲板，該船5甲板以下是剛性結(jié)構(gòu)，以上是柔性結(jié)構(gòu)。艉門(mén)設(shè)在船體尾部右舷，從6甲板到13甲板，艉門(mén)總長(zhǎng)38.365 m，車(chē)道寬度為7.6 m，通行的車(chē)輛最高車(chē)輛為5.3 m，總重量為130 t；艉門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉是通過(guò)布置在13甲板的絞車(chē)及滑輪裝置，以液壓方式實(shí)現(xiàn)的。此文通過(guò)MSC Patran和MSC Natran軟件對(duì)7800PCTC汽車(chē)滾裝船13甲板操縱裝置基座進(jìn)行有限元強(qiáng)度計(jì)算，主要研究了6種工況下基座及船體支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的特點(diǎn)提出合理有效的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)建議，為大型汽車(chē)滾裝船開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

1 有限元計(jì)算模型

文中主要選取了7800PCTC尾部的有限元模型，縱向從-8號(hào)肋位到31號(hào)肋位，橫向從右舷外板到左舷外板，垂向從船底到13甲板，另外對(duì)鉸鏈支撐座進(jìn)行建模；為了能準(zhǔn)確的計(jì)算艉門(mén)操作裝置下底座及船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)，主要受力處模型采用細(xì)網(wǎng)格建模，細(xì)網(wǎng)格要求盡可能的采用4邊形單元，單元網(wǎng)格大小最大50 mm，部分鉸鏈結(jié)構(gòu)受力采用MPC單元施加。有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

2 載荷工況、約束和許用衡準(zhǔn)

2.1 載荷工況內(nèi)容

艉門(mén)載荷工況主要考慮艉門(mén)從關(guān)閉狀態(tài)打開(kāi)到最大角度狀態(tài)，在艉門(mén)關(guān)閉時(shí)支撐架主滑輪鋼絲繩與垂直方向成82°角，在艉門(mén)打開(kāi)到最大角度時(shí)，主滑輪鋼絲繩與垂直方向成49°角。艉門(mén)操作裝置的受力主要包括工作工況和極限工況，工作工況是艉門(mén)在這兩個(gè)角度之間在絞車(chē)作用下艉門(mén)打開(kāi)和關(guān)閉，極限工況是考慮艉門(mén)在工作工況時(shí)，其中一根鋼絲繩突然斷裂，另一根鋼絲繩獨(dú)立作用時(shí)的工況。根據(jù)計(jì)算49°角和82°角是受力最大的2個(gè)狀態(tài)，本文選取該兩種角度，共6種工況對(duì)支撐座及船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，具體工況如表1所列。

表1 載荷工況

極限工況具體受力以工況1為例進(jìn)行說(shuō)明，其它工況是受力位置及角度變換所進(jìn)行受力變換。極限工況考慮鋼絲繩突然斷裂，一根鋼絲繩需要承擔(dān)艉門(mén)的自重和加速度，具體的受力如圖2所示，每個(gè)點(diǎn)的具體受力載荷如表2所列。

圖2 滑輪布置和受力圖

表2 工況1各點(diǎn)受力載荷 /kN

2.2 約束的選取

因計(jì)算模型是在全船模型中取出的尾部模型，橫向和垂直已經(jīng)是船舶真實(shí)的范圍，所以在模型的首端做自由支持的約束，即約束X，Y，Z三個(gè)方向的平動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)處于自由狀態(tài)。

2.3 許用衡準(zhǔn)

工況許用衡準(zhǔn)如表3所列。

表3 材料許用衡準(zhǔn)

該模型在主要受力區(qū)域采用的是細(xì)網(wǎng)格單元，許用應(yīng)力可以適當(dāng)提高。

3 結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算得到甲板及支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果，云圖如圖3、4所示。最大應(yīng)力值見(jiàn)表4所列。

圖3 甲板及支撐結(jié)構(gòu)正應(yīng)力圖

圖4 甲板及支撐結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力圖

表4 應(yīng)力匯總

應(yīng)力結(jié)果分析：①?gòu)谋?可以看出前面4種工況的應(yīng)力明顯高于后兩種，已經(jīng)接近初網(wǎng)格AH36高強(qiáng)鋼的許用衡準(zhǔn)；②因在主要受力區(qū)域模型采用的是細(xì)網(wǎng)格單元，因此此計(jì)算模型結(jié)構(gòu)還是比較安全；③最大的剪切應(yīng)力主要出現(xiàn)在支撐結(jié)構(gòu)的面板處，因此設(shè)計(jì)時(shí)要注意面板的寬度和厚度，端部結(jié)構(gòu)面板禁止銷(xiāo)斜；④該計(jì)算結(jié)果已經(jīng)是對(duì)原船的結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)優(yōu)化，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)都是正對(duì)著支撐基座，且用了剖面模數(shù)較大的T型材，其它船舶設(shè)計(jì)時(shí)可參考該加強(qiáng)形式；⑤因主要支撐結(jié)構(gòu)剖面模數(shù)較大，因此該甲板區(qū)域板厚也要適當(dāng)加強(qiáng)，注意避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)7800PCTC艉門(mén)操縱裝置底座及支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度評(píng)估，詳細(xì)描述了模型的形式范圍特點(diǎn)，以及不同工況下的受力形式，并輸出了結(jié)果，通過(guò)結(jié)果可以看出該船結(jié)構(gòu)及加強(qiáng)滿(mǎn)足材料許用衡準(zhǔn)要求。另通過(guò)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，給出了合理有效的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)建議，給大型汽車(chē)滾裝船的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供參考。