胡 晨

（中船澄西船舶修造有限公司設(shè)計部，江蘇 江陰 214400）

0 引言

26000 DWT自卸船貨艙為大開口結(jié)構(gòu)，橫向跨度大，間甲板結(jié)構(gòu)相對較弱，單點裝載系統(tǒng)對其形變要求很高，同時還需評估撓度對艙口蓋產(chǎn)生的影響[1]。由于在建造新船型方面的相關(guān)經(jīng)驗又有所欠缺，通過學(xué)習(xí)先進技術(shù)策劃研究建造工藝和工法，借助自主計算來評估其強度及剛度情況[2-4]。本文借用MSC.Patran和Nastran軟件對間甲板區(qū)域進行有限元計算分析，研究造船工藝工法，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，保證公司船舶的順利建造與交付。

1 裝載系統(tǒng)建造工藝工法研究

26000 DWT自卸船主甲板反頂設(shè)置一套單點裝貨系統(tǒng)，需要在甲板下構(gòu)建操作平臺反吊在甲板上，共有14個間甲板設(shè)計了管子單元單點運輸裝置，因橫向結(jié)構(gòu)相對較弱，甲板板厚較薄，結(jié)合船型特點開展工藝工法研究，確保吊裝強度，減少變形。

1.1 甲板總段方案研究

甲板分段反頂設(shè)計了單點運輸裝置，對比采用傳統(tǒng)方法船臺、船塢吊裝定位，增加吊裝難度和風(fēng)險、裝配腳手搭設(shè)等工作量，影響合攏周期效率低下。研究采用總段階段安裝單點運輸裝置，甲板上安裝橫向艙口圍的建造方式增加強度。

1.2 甲板總段制作方案策劃

甲板502～504、506～509、512、514～517、519、520分段與橫向艙口圍總組焊接后正態(tài)安裝單點運輸支架。結(jié)合總段鋪墩圖（見圖1）提前放置單點運輸支架到指定位置，按照圖紙尺寸要求完成總段胎架，甲板左右兩端向下放5 mm反變形。甲板吊裝拼接后檢查控制甲板的平整度和梁拱，必要時火工調(diào)整甲板變形來確保平整度，甲板與胎架應(yīng)焊接固定，減少變形。

圖1 總段支撐示意圖

1.3 艙口圍安裝焊接要求

甲板拼接焊后吊裝橫向艙口圍，檢查艙口圍面板的平整度腹板垂直度，平整度±3 mm、垂直度±4 mm，精度檢查合格后，艙口圍需加強固定后焊接，按照焊接原則工藝控制焊接順序防止甲板過度變形后影響單點運輸支架安裝，焊接順序示意圖如圖2所示。

圖2 焊接順序示意圖

1.4 總段方案評估

甲板總段按以上研究方案實施后增加了橫向艙口圍和單點支架，艙口圍傳統(tǒng)方式在船臺階段搭載，對比現(xiàn)方案在總段階段安裝艙口圍可增加甲板強度，故需要開展有限元計算等方式進行強度和剛度校核，確?？偠蔚跹b定位不變形[5-6]。

2 有限元計算

26000 DWT自卸船主甲板總段方案策劃需校核強度，減少吊裝變形。針對總段復(fù)雜形狀變形體，需完整獲取在復(fù)雜外力作用下內(nèi)部準(zhǔn)確力學(xué)信息。在準(zhǔn)確進行力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計師應(yīng)對該總段進行強度、剛度等方面評判，以便對不合理的設(shè)計參數(shù)進行修改，以得到較優(yōu)化的設(shè)計方案。

2.1 模型選取與創(chuàng)建

由于全船間甲板有3種不同規(guī)格的寬度（2450 mm、4890 mm、14650 mm），而2個較寬的間甲板梁下方均有槽型艙壁支撐，因此選寬度為2450 mm的較弱間甲板；與間甲板相連的頂邊艙甲板又有幾種不同規(guī)格的板厚，選最薄的13 mm進行建模計算。

模型縱向范圍從FR236到FR239，即與間甲板對接的兩檔強框架，跨度ΔX=2450 mm；橫向范圍從左舷外板至右舷外板，因為靠近艏部區(qū)域，外板模型涉及曲面，跨度ΔY≈23756 mm；垂向范圍為11305平臺以上的全部結(jié)構(gòu)，包括艙口圍結(jié)構(gòu)。由于此次評估主要以形變?yōu)橹?，因此整個模型全部以二維殼單元進行模擬。間甲板中間正下方為單點卸貨系統(tǒng)，系統(tǒng)軌道架設(shè)于圓管支架之上，圓管支架采用一維梁單元建模并附截面屬性[7-9]。

此次計算采用網(wǎng)格直接建模方式，整體模型不是相當(dāng)大，因此除特殊位置外，網(wǎng)格大小為上限250 mm，下限150 mm，平均為200 mm×200 mm，即肋距為813.33 mm分四等分；橫向檔距為725 mm分三等分。

2.2 材料屬性及邊界條件設(shè)置

本模型共有A級鋼與高強度AH36鋼2種規(guī)格，其楊氏模量均為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，剪切模量為79230 N/mm2，密度為7.85×10-9t/mm2。板厚屬性按照退審圖紙，選取其建造厚度賦予。

在間甲板大跨度兩端設(shè)置為簡支約束，即左端面11305平臺約束為δx=δy=δz=0，θy=θz=0，右端面11305平臺約束為δx=δz=0，θy=θz=0；在前后剖面的強結(jié)構(gòu)處，僅約束縱向位移，即δx=0。

2.3 載荷與工況設(shè)定

單點卸貨系統(tǒng)軌道貫穿于整個貨艙區(qū)域，圓管支架受力載荷取最大情況，為28 t，即4個點位每點7 t集中力；結(jié)構(gòu)自重為重力釋放方式加載；艙口蓋結(jié)構(gòu)重量等效到艙口圍上為單邊3 t均布載荷，見表1。

表1 載荷分布情況表

2.4 分析計算結(jié)果

將設(shè)置好的完整模型提交靜力計算，根據(jù)計算結(jié)果的應(yīng)變云圖顯示，最大船體結(jié)構(gòu)變形為14.4 mm，位于間甲板最中間位置處；最大應(yīng)力64.7 MPa，位于圓管支架與間甲板連接處，如圖3所示。

圖3 應(yīng)力應(yīng)變云圖

3 經(jīng)驗計算

3.1 求解撓曲線方程

設(shè)定此間甲板滿足“平斷面假定”，即假定梁在彎曲前的橫斷面在彎曲后仍為平面[1]。梁兩端的位移邊界條件設(shè)定為兩端簡支，即兩端點撓度為0，ν0=0，νL=0；且兩端點的彎矩為0，M0=ELν”=0，ML=0。

將上述左端撓度與彎矩條件代入撓曲線方程：

再將右端撓度與彎矩條件代入式（1），且對式（1）求二階導(dǎo)可得：

解此二元一次方程組得：

將以上解重新代入到撓曲線方程，可得：

3.2 求解剖面慣性矩

間甲板梁的剖面由1塊寬度2450 mm，厚度10 mm主甲板、前后各1塊高度1025 mm，厚度11 mm的艙口蓋腹板、腹板頂部各1塊長度400 mm，厚度20 mm的艙口蓋頂板、腹板中部前后各1塊180×8的球扁鋼、以及間甲板下方前后各1塊200×10的球扁鋼組成。由于整體結(jié)構(gòu)呈左右對稱，所以其重心X=0 mm；將每塊板各自的重量重心加權(quán)平均，算得其Y向重心位置為Y=406.91 mm。

得：Ix≈1.38 × 1010mm4

3.3 計算最大撓度

長度L為1.6×104mm，彈性模量E為2.06×105MPa。自身重量約25.6 t，等效為2.56×105N均布載荷設(shè)置；艙口蓋兩邊各3 t，等效為6×104N均布載荷設(shè)置，因此均布載荷q的值為19.75N/L；單點卸貨系統(tǒng)等效為2.8×105N集中載荷設(shè)置，受力在間甲板梁正中部。將上述條件代入式（2）解方程，得：

得ν≈14.31 mm。

此結(jié)果與有限元分析計算的應(yīng)變結(jié)果相當(dāng)接近。

表2 甲板總段定位數(shù)據(jù)表

序號 分段名 檢查位置1/mm檢查位置3/mm 6 508+7014+7015 4 -5 1 7 509+7016+7017 5 -4 4 8 512+7022+7023 2 -3 3 9 514+7026+7027 4 -4 3 10 515+7028+7029 2 -2 4 11 516+7030+7031 3 -2 4 12 517+7032+7033 2 -3 3 13 519+7036+7037 4 -4 2 14 520+7038+7039 5 -5 4檢查位置2/mm

4 結(jié)語

本文采用了2種方法對26000 DWT自卸船間甲板進行強度與剛度校核。剛度方面：整個間甲板橫跨梁呈現(xiàn)中間逐漸下沉趨勢，有限元計算應(yīng)變最大結(jié)果為14.4 mm，于間甲板最中間部位；經(jīng)驗公式計算最大撓度為14.31 mm，于間甲板最中間部位。兩者結(jié)果相當(dāng)接近，且結(jié)果滿足建造與驗收需求；強度方面：整個模型最大應(yīng)力為64.7 MPa，于間甲板中部球扁鋼與圓管支架相連位置，此處結(jié)構(gòu)為AH36高強度鋼，屈服強度為355 MPa，接近5.5倍安全系數(shù)，因此強度也滿足相關(guān)要求。經(jīng)精度管理現(xiàn)場管控甲板總段定位最大變形約10 mm（艙口蓋未安裝時數(shù)據(jù)），整體數(shù)據(jù)可控，滿足精度要求。