張展飛，吳海旺

(江南造船集團(tuán)有限責(zé)任公司，上海 201913)

0 引言

2004到2011年我國(guó)汽車外貿(mào)出口年均增速為45%[1]，但是遠(yuǎn)洋汽車滾裝船運(yùn)輸長(zhǎng)期以來(lái)大都由日本、韓國(guó)和歐洲等國(guó)承運(yùn)，因而我國(guó)汽車出口的成本較高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不足。目前，開(kāi)發(fā)、建造滾裝船已被國(guó)家列為了重點(diǎn)研究項(xiàng)目。

滾裝船的車輛甲板綁扎加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及布置對(duì)生產(chǎn)制造的進(jìn)度和質(zhì)量把控影響很大。田帥[1]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同船型合理選擇其綁扎件安裝階段與工藝更有利于提高現(xiàn)場(chǎng)裝配、燒焊的效率與質(zhì)量，從管理角度提出整改安裝階段及加強(qiáng)KSC來(lái)圖檢測(cè)的方式。黃慧等[3]通過(guò)實(shí)船調(diào)研及資料分析，確定了焊接殘余應(yīng)力是引起船體裂縫的關(guān)鍵因素，印證了效用試驗(yàn)的必要性。

以往的研究是從管理角度對(duì)安裝時(shí)的定位精度進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)改變安裝階段，在定位開(kāi)孔周邊獲取更多可參照結(jié)構(gòu)，但這樣的方式在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)可能會(huì)受到作業(yè)空間等方面的影響，從而影響精度。因此本文通過(guò)在切割階段制作宏孔的方式將節(jié)點(diǎn)加入切割指令，使得綁扎碗在安裝階段無(wú)需保證甲板下方綁扎加強(qiáng)與加強(qiáng)開(kāi)孔完全對(duì)位，即可通過(guò)開(kāi)孔兩端半徑(R)孔進(jìn)行調(diào)整，最終依據(jù)船級(jí)社規(guī)范所定的結(jié)構(gòu)計(jì)算和效用試驗(yàn)，證明該方案的可行性。

1 汽車綁扎對(duì)于汽車滾裝船的重要性

汽車綁扎對(duì)于汽車滾裝船的重要性主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：

(1)安全性角度。汽車綁扎件關(guān)乎到滾裝船的安全性，在綁扎件設(shè)計(jì)階段就要對(duì)船舶擬裝貨物移動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)滾裝貨物的尺寸、物理特性、位置和積載、航次氣候和海況特點(diǎn)等，建立數(shù)學(xué)模型，模擬船舶主要工況，分析綁扎系統(tǒng)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而提高設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度。

(2)作業(yè)效率角度。以某3 600車汽車滾裝船為例，在船體結(jié)構(gòu)建造過(guò)程中，整船零件有11萬(wàn)多個(gè)，而綁扎碗的數(shù)量已達(dá)到21 000個(gè)，其中重型綁扎件達(dá)到3 600個(gè)，可見(jiàn)其數(shù)量占比非常大。此外，據(jù)統(tǒng)計(jì)：每個(gè)綁扎碗的作業(yè)工時(shí)約為0.16 h，合計(jì)該船的綁扎碗安裝總工時(shí)為3 360 h。由此可見(jiàn)，如果能夠提高安裝時(shí)的容錯(cuò)率，降低精度要求，必然可以有效地提高整體的生產(chǎn)效率。

2 節(jié)點(diǎn)概述

滾裝船的建造之所以復(fù)雜，是因?yàn)闈L裝船舾裝件種類繁多，安裝、焊接工藝要求高。綁扎件作為固定裝載汽車最重要的舾裝件，其種類主要有綁扎碗、綁扎環(huán)、波浪桿、埋入式綁扎件、突出式綁扎件等。本文主要對(duì)綁扎碗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。綁扎碗大多安裝在具有水密、氣密、防火要求的甲板，在該層甲板以下安裝綁扎碗以滿足該甲板所需要滿足的水密、氣密、防火要求。

為了提高綁扎件安裝的容錯(cuò)率，降低安裝時(shí)精度所帶來(lái)的影響，在考慮節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，本文通過(guò)對(duì)各型汽車滾裝船及其他船廠的綁扎件節(jié)點(diǎn)研究發(fā)現(xiàn)：針對(duì)滾裝船綁扎碗加強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)，大多數(shù)船廠采用的是圖1的節(jié)點(diǎn)形式。

圖1 典型節(jié)點(diǎn)形式(單位：mm)

這種節(jié)點(diǎn)采用加強(qiáng)與綁扎完全焊死的方式，有助于后期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算及拉力試驗(yàn)，但是在現(xiàn)場(chǎng)裝配焊接時(shí)往往難以控制開(kāi)孔位置及加強(qiáng)定位。部分船廠采用現(xiàn)場(chǎng)修割的方式來(lái)減小因定位產(chǎn)生的精度偏差，這種方式不利于提高生產(chǎn)效率，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生焊接間隙較大的問(wèn)題。

為減少施工困難，在保證強(qiáng)度的前提下對(duì)綁扎加強(qiáng)的連接形式進(jìn)行優(yōu)化。在建造的汽車滾裝船上采用了圖2(完整形態(tài))和圖3(部分綁扎碗位置貼近艙壁?？紤]結(jié)構(gòu)強(qiáng)度后，采取半邊設(shè)孔，靠壁半邊不設(shè)孔)節(jié)點(diǎn)工藝。

圖2 完整形態(tài)(單位：mm)

圖3 半邊形態(tài)(單位：mm)

在數(shù)字化設(shè)計(jì)建模階段，可以通過(guò)制作宏孔的方式將該加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)加入切割指令，在切割階段將其切割。這種方式既保證了節(jié)點(diǎn)美觀性，又提升了設(shè)計(jì)效率，同時(shí)在綁扎碗安裝階段無(wú)需保證甲板下方綁扎加強(qiáng)與加強(qiáng)開(kāi)孔完全對(duì)位。通過(guò)開(kāi)孔兩端R孔間隙進(jìn)行調(diào)整，存在一定的工程冗余可能，大大增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)可操作性。

3 計(jì)算驗(yàn)證

DNV·GL 船級(jí)社規(guī)范相關(guān)章節(jié)明確要求最大工作載荷大于15 kN的綁扎設(shè)備的焊接質(zhì)量需要通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算或者效用試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

鑒于優(yōu)化后的圖2、圖3節(jié)點(diǎn)為船廠首次使用，為保證節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能有效滿足船級(jí)社要求，因此針對(duì)相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算模型見(jiàn)圖4。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。表中，tp1和tp2為焊縫與加強(qiáng)接觸面強(qiáng)度。

圖4 計(jì)算模型

表1 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

由上述相關(guān)數(shù)據(jù)分析得出：在焊腳尺寸大于6 mm時(shí)，相關(guān)綁扎件可以滿足船級(jí)社規(guī)范要求。同時(shí)，為保證現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程可控，對(duì)相關(guān)節(jié)點(diǎn)要求焊腳大于周圍結(jié)構(gòu)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)流程

根據(jù)DNV·GL船級(jí)社關(guān)于需要對(duì)大于15 kN綁扎碗加強(qiáng)進(jìn)行相應(yīng)拉力試驗(yàn)的要求，同時(shí)根據(jù)建造廠設(shè)備情況設(shè)計(jì)了如下驗(yàn)證方法：

(1)選取安全工作負(fù)荷為1只100 kN的綁扎碗，背面結(jié)構(gòu)按圖5進(jìn)行加強(qiáng)，并按照相關(guān)設(shè)備資料要求與船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接。

(2)在綁扎碗上焊接250 kN的試驗(yàn)用吊馬。根據(jù)計(jì)算：吊馬與綁扎碗焊接長(zhǎng)度應(yīng)大于120 mm，吊馬腹板厚度應(yīng)大于20 mm。具體形式見(jiàn)圖6。需要注意的是，范圍應(yīng)不超過(guò)綁扎碗范圍且應(yīng)避免焊縫重疊。

圖5 綁扎碗

圖6 焊接試驗(yàn)吊馬

(3)吊馬安裝完成后，在吊馬上穿鋼絲繩，在吊車與吊馬之間安裝拉力計(jì)，見(jiàn)圖7。

圖7 安裝拉力計(jì)

拉力試驗(yàn)分為4種工況，分別為：1.2倍安全載荷垂直拉力試驗(yàn)、1.2倍安全載荷斜45°拉力試驗(yàn)、2倍安全載荷垂直拉力試驗(yàn)、2倍安全載荷斜45°拉力試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 垂直試驗(yàn)

垂直試驗(yàn)分別用了1.2倍安全載荷和2倍安全載荷進(jìn)行試驗(yàn)，見(jiàn)圖7(a)。將拉力垂直逐漸加大到120 kN，保持5～15 min后卸力，船檢人員對(duì)反面結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)通過(guò)后，重新將拉力垂直緩慢增大至200 kN，維持5 min后卸力。

4.2.2 45°試驗(yàn)

45°試驗(yàn)同樣用了1.2倍安全載荷和2倍安全載荷進(jìn)行試驗(yàn)，見(jiàn)圖7(b)。將拉力垂直逐漸加大到240 kN，保持5～15 min后卸力，船檢人員對(duì)反面結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)通過(guò)后，重新將拉力垂直緩慢增大至400 kN，維持5 min后卸力。

經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了優(yōu)化后圖2、圖3節(jié)點(diǎn)的可靠性，同時(shí)對(duì)后續(xù)生產(chǎn)建造提供了有效的理論和試驗(yàn)依據(jù)，保證了實(shí)船的安全性。

5 結(jié)論

針對(duì)滾裝船汽車綁扎件在安裝時(shí)存在容錯(cuò)率低、精度要求高、工時(shí)消耗高的問(wèn)題，本文對(duì)綁扎件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究和優(yōu)化。在實(shí)際應(yīng)用中，該節(jié)點(diǎn)因其較好的工程適用性對(duì)滾裝船建造起到了積極的保障作用。本文主要?dú)v經(jīng)以下幾個(gè)過(guò)程：

(1)在結(jié)構(gòu)上，打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，加入開(kāi)孔設(shè)計(jì)。這樣既添加了裝配間隙，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)可操縱性，同時(shí)又有效縮減了工時(shí)，提高了作業(yè)效率。

(2)對(duì)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證，結(jié)果顯示在焊腳大于6 mm時(shí)，相關(guān)綁扎件可以滿足船級(jí)社規(guī)范要求，在理論上達(dá)到了船級(jí)社結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

(3)綁扎碗安裝吊馬后，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)際效用試驗(yàn)。在垂直試驗(yàn)和45°試驗(yàn)中，同時(shí)通過(guò)了1.2倍和2倍載荷的拉力測(cè)試。試驗(yàn)后由船檢人員對(duì)反面結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，最終試驗(yàn)結(jié)果合格。