葛珅瑋，朱紅娟，羅廣恩，周文

(1.江蘇航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010；2.上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306；3.招商局郵輪制造有限公司，江蘇 南通 226116；4.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

艏門位于客滾船的最前端，球鼻艏之上，對稱開啟，打開艏門后，跳板與碼頭或陸地連接，使車輛可以開上開下，替代了傳統(tǒng)的吊裝裝卸方式，提高了裝卸的效率，[1-2]?？蜐L船艏門與船體結(jié)構(gòu)和坡道裝置間的運動協(xié)調(diào)關(guān)系較為復(fù)雜[3]。艏門的形狀受船體線型影響，尺寸也需滿足艏跳板的收放，形狀多為特殊弧形[4]，該弧形與船體外輪廓匹配。船體與艏門結(jié)構(gòu)連接較為復(fù)雜，且補強空間十分有限，因此給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了一定的困難。基于意大利船級社(以下稱Rina)規(guī)范，對某大型客滾船與艏門連接的艏部船體結(jié)構(gòu)進行有限元分析，分析船體與艏門連接處結(jié)構(gòu)的強度，并對連接處的局部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

1 目標(biāo)船艏門介紹

某大型客滾船的主尺參數(shù)如下。

垂線間長Lpp=218.00 m，型寬B=33.30 m，

型深D=9.50 m，設(shè)計吃水T=7.10 m，

設(shè)計航速V=20 kn，滿載乘客1 200人。

該船的艏門位于干舷甲板和最大載重線之上、防撞艙壁之前以上。艏門與船體連接有以下幾種方式。

1)緊固裝置。使門保持關(guān)閉，防止其繞鉸鏈轉(zhuǎn)動。

2)支持裝置。將門承受的外載荷或內(nèi)載荷傳遞給緊固裝置，再從緊固裝置傳遞給船體結(jié)構(gòu)，或?qū)㈤T承受的載荷傳遞給船體結(jié)構(gòu)除緊固裝置以外的一種裝置，如絞鏈、制動器或其他固定裝置。

3)鎖緊裝置。指將緊固裝置鎖緊在關(guān)閉位置的一種裝置。

艏門啟閉過程中，啟閉油缸時應(yīng)考慮風(fēng)、水流力、自重和慣性力，受力狀況比較復(fù)雜。艏門承受的各種復(fù)雜載荷最終通過上述3種連接點，傳遞給船體結(jié)構(gòu)。

艏門利用鉸接于門上和船上的水平連桿作水平移動開啟，艏門對稱開啟后，通過機械固定的方法將門固定在開啟位置，見圖1。

圖1 艏門打開狀態(tài)

2 艏部結(jié)構(gòu)載荷分析

艏門一般直接從專業(yè)的設(shè)備廠家采購，因此艏門結(jié)構(gòu)本體一般不做額外校核與優(yōu)化。但是支撐艏門的船體結(jié)構(gòu)是由船舶建造單位設(shè)計，因此需要對此處結(jié)構(gòu)進行強度分析，尤其是船艏與艏門連接的局部結(jié)構(gòu)必須能夠承受艏門在工作中的各種載荷，這是艏門結(jié)構(gòu)強度分析的重點區(qū)域。

在對艏部船體結(jié)構(gòu)進行強度分析時，一般采用分步求解的方法[5]，首先須計算艏門本體結(jié)構(gòu)對船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用載荷，然后再將該作用載荷施加在艏部船體結(jié)構(gòu)上，即可分析船體艏部的結(jié)構(gòu)強度，并根據(jù)計算結(jié)果最終實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。

2.1 艏門對船體結(jié)構(gòu)的作用力

艏門的設(shè)計外壓力pe計算如下[5]。

pe=2.75λCH(0.22+0.15tanα)·

(1)

式中：λ為航區(qū)系數(shù)，取λ=1；CH為系數(shù)，當(dāng)L≥80 m時，取CH=1；α為計算點的外飄角，α=44°；β為計算點的入射角，β=35°(見圖2)；V為航速，取V=20 kn；L為船長且取值不大于200 m，實際船長為218 m，取L=200 m。

最終可得pe=174.9 kN/m2。

各方向的設(shè)計外力計算如下。

(2)

式中，Ax,Ay,Az分別為橫向、縱向、垂向的投影面積，見圖2。

圖2 艏門參數(shù)(單位：mm)

由此求得：Fx=9 640.5 kN；Fy=10 754.6 kN；Fz=7 569.7 kN。

在計算作用在有效緊固或支持構(gòu)件上的反力時，須考慮與門的自重和外載荷同時作用，可以得到各緊固或支撐構(gòu)件的工作中的最大作用力。艏門單門重51 t?；谟邢拊椒ǎ镁植磕Ｐ涂捎嬎愠鲷奸T和船體所有連接點X、Y、Z3個方向的支反力。

此外，緊固裝置以及支持裝置的布置必須采用具有冗余度的設(shè)計，以應(yīng)對任何一個緊固裝置或支持裝置發(fā)生失效時，剩下的裝置仍然能夠承受艏門的作用力，防止結(jié)構(gòu)破壞。此時工況為極限工況，極限工況下材料斷裂破壞須達到強度極限，依照規(guī)范要求，許用應(yīng)力相比一般工況可提高20%[6]。

綜合以上考慮，基于規(guī)范的要求，在局部載荷下，具體載荷工況組合如下。

工況1。艏門關(guān)閉，F(xiàn)x，F(xiàn)y和Fz作用在2扇門上。

工況2。艏門關(guān)閉，0.7Fx和0.7Fz作用在2扇門上，F(xiàn)y僅作用在左側(cè)門上。

工況3。艏門關(guān)閉，0.7Fx和0.7Fz作用在2扇門上，F(xiàn)y僅作用在右側(cè)門上。

工況4。艏門打開，各液壓設(shè)備支撐載荷。

工況5。艏門關(guān)閉，冗余設(shè)計，工況1中任意移除一個緊固裝置。

工況6。艏門關(guān)閉，冗余設(shè)計，工況2中任意移除一個緊固裝置。

工況7。艏門關(guān)閉，冗余設(shè)計，工況3中任意移除一個緊固裝置。

工況5～工況7是在工況1～工況3基礎(chǔ)上進行冗余設(shè)計后的工況，統(tǒng)稱為冗余工況。艏部船體各連接與支撐供21個點，這些點及其周邊位置都需要進行強度校核。

2.2 船體梁載荷對艏門的作用力

一般艏門是在碼頭且較為風(fēng)平浪靜的情況下使用，因此，可以忽略由波浪引起的局部動壓力、波浪彎矩等載荷。但客滾船艏門在開閉過程中時，艏部船體除了受到局部壓力、車輛載荷、自重等作用外，船體梁還受到靜水彎矩的影響。艏部結(jié)構(gòu)遠離船舯，總縱彎矩影響較小，依照Rina規(guī)范，這部分載荷可以忽略。但是對于目標(biāo)客滾船來說，艏門在開閉過程中，作用范圍較大，縱向達到約20多m，這部分載荷對上述局部載荷可能會存在一定的影響。因此，在規(guī)范要求的上述7種工況的基礎(chǔ)下，對艏部模型，在規(guī)范要求的載荷基礎(chǔ)上，額外施加相應(yīng)的靜水彎矩，以分析總縱靜水彎矩對艏門工作時的影響程度。新增的工況分別定義為工況8～14。

3 船體局部結(jié)構(gòu)強度計算

利用Femap軟件建立船體結(jié)構(gòu)艏部的局部模型，將計算所得支反力施加在船體對應(yīng)的位置。模型范圍縱向選取FR241至最艏端，橫向從右舷外板到左舷外板，垂向從底部甲板至值7甲板。對鉸鏈的支座進行建模。甲板、外板、艙壁、橫梁腹板、縱桁腹板等主要結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，縱骨、肋骨、橫梁面板、縱桁面板、支柱等采用梁單元建模。為了能準(zhǔn)確地計算艏門操作裝置下底座及船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)，對于鉸鏈、支座等受力處結(jié)構(gòu)采用細網(wǎng)格建模，細網(wǎng)格盡可能采用四邊形單元，單元大小約為50 mm×50 mm，部分鉸鏈結(jié)構(gòu)采用多點約束(MPC)連接，以方便施加載荷。艏部有限元模型見圖3。

圖3 首部有限元模型

艏門處的船體支持結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受各種支撐鉸鏈裝置的設(shè)計載荷。分別將7種工況下計算的支反力施加到船體結(jié)構(gòu)對應(yīng)的位置，對每一種工況進行計算校核。

3.1 約束的選取

工況1～7在局部模型的艉端施加自由支持的約束，即X，Y，Z方向位移固定，轉(zhuǎn)角釋放。

3.2 許用衡準(zhǔn)

艏門的主要構(gòu)件、緊固裝置和支持裝置的尺寸按意大利船級社規(guī)范[5]設(shè)計，粗網(wǎng)格(網(wǎng)格尺寸不大于縱骨間距s×s)下許用等效應(yīng)力σVM滿足

(3)

式中：RY為材料系數(shù)，235/k，k取0.72。γR為材料安全系數(shù)，取1.1；γm為阻抗安全系數(shù)，取1.02。

對于50 mm×50 mm的細網(wǎng)格，不跟焊縫連接的單元許用應(yīng)力提高至

(4)

式中：a取1.6。

對于冗余LC5～LC7，許用衡準(zhǔn)提高20%，許用應(yīng)力衡準(zhǔn)見表1。

表1 許用衡準(zhǔn) MPa

3.3 計算結(jié)果與討論

艏部船體結(jié)構(gòu)的原始設(shè)計見圖4。前文思路，對艏門支撐結(jié)構(gòu)進行計算，得到結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力見表2。

圖4 原始設(shè)計

表2 最大應(yīng)力 MPa

計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)強度不滿足要求，尤其是在在冗余工況下，區(qū)域1和區(qū)域2應(yīng)力集中十分明顯，其中區(qū)域2的應(yīng)力最大值超過許用應(yīng)力51%，出現(xiàn)在左舷冗余設(shè)計工況(LC5～LC7)下，該工況的應(yīng)力云圖包絡(luò)見圖5。

圖5 左舷包絡(luò)應(yīng)力云圖

通過對應(yīng)力不滿足點的分析發(fā)現(xiàn)，高應(yīng)力都集中在艏門的連接支撐位置，大部分結(jié)構(gòu)連接處通過增加板厚、或增大連接背部加強構(gòu)件尺寸等方法，即能滿足規(guī)范要求。艏門底下結(jié)構(gòu)突變處的圓弧和液壓裝置基座邊上的圓弧應(yīng)力集中處，因結(jié)構(gòu)空間限制，不能增加額外結(jié)構(gòu)，在增加板厚后，依然超標(biāo)，需進一步補強分析。

4 總縱彎矩下強度計算

對于工況8～14，需要考慮彎矩的影響，基于位移法原理，在艏部模型的艉端剛性固定，同時在工況1～7的基礎(chǔ)之上，在模型的尾部強框架處施加該位置的靜水彎矩變化值。

計算求解得到工況8～14的應(yīng)力結(jié)果，為與工況1～7進行比較，通過局部強度計算，選取3處典型且應(yīng)力較大區(qū)域的進行比較對比，3處典型位置區(qū)域見圖6。

圖6 目標(biāo)區(qū)域位置

其中，區(qū)域1處的開孔為鎖緊裝置上伸縮桿的操作空間，開孔底下是鎖緊裝置的基座，見圖4。區(qū)域2處位于整個艏門與主船體交界處的前部，結(jié)構(gòu)有突變，見圖4，應(yīng)力集中較為明顯。區(qū)域3是整個艏門與主船體的交界處后部的橫框架處，此處屬于船體結(jié)構(gòu)，橫向開設(shè)一個大型的通行門口，應(yīng)力水平也較高。通過對比，計算結(jié)果見表3。

從表3可見，除了LC4工況，各區(qū)域的應(yīng)力正在靜水彎矩的作用下，應(yīng)力均有降低，區(qū)域1平均降低6.2%，區(qū)域2平均降低12.0%，區(qū)域3平均降低12.0%。區(qū)域1所在高度值距離該剖面中和軸位置較近，因此，影響較小，而區(qū)域2和3高度位置相當(dāng)，相比區(qū)域1距中和軸較遠，因此，影響程度較大。工況4為艏門打開的工況，該工況下，船體局部結(jié)構(gòu)本身應(yīng)力水平很低，在疊加船體梁載荷后，應(yīng)力有所增加，應(yīng)力增加的絕對數(shù)據(jù)不大，相比許用應(yīng)力不到12%，但由于原來的基礎(chǔ)應(yīng)力值很小，相比時分子較小，因此，造成影響的比例很大。另外，由于該工況的整體應(yīng)力水平較低，不對結(jié)構(gòu)是否加強起決定性作用，因此，在強度分析中可忽略不計。

表3 應(yīng)力對比

由此可見，艏門支撐構(gòu)件在考慮靜水彎矩載荷后，整體應(yīng)力水平會降低。所以按規(guī)范要求的方法進行計算校核，計算結(jié)果相對保守，偏安全。

5 優(yōu)化與補強設(shè)計

圖5中區(qū)域1的開孔處的圓弧結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較高，需進行優(yōu)化設(shè)計；區(qū)域2的圓弧不滿足強度要求，需要進行結(jié)構(gòu)補強。

5.1 區(qū)域1優(yōu)化設(shè)計

將區(qū)域1處的板厚由15 mm增加至25 mm，有限元計算結(jié)果顯示，自由邊應(yīng)力依然集中較明顯，在LC5～LC7冗余設(shè)計工況下，最大應(yīng)力在角隅局部集中現(xiàn)象仍十分明顯，最大應(yīng)力接近許用值，見圖7。此時25 mm的板厚已經(jīng)達到了周圍板厚的1.7倍，如果再增加板厚對制造和成本控制十分不利，因此，不能僅通過增加板厚來降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

圖7 區(qū)域1原方案LC5-LC7工況最大應(yīng)力分布

從該孔的應(yīng)力分布可以看出，離自由邊距離越遠，應(yīng)力水平越低。因此，考慮將該孔由475 mm×220 mm×R50 mm改為475 mm×420 mm×R150 mm。一定范圍內(nèi)擴大開孔不影響鎖緊裝置的功能，同時還能使船舶重量更輕。計算得到最大應(yīng)力為416 MPa，見圖8。

圖8 區(qū)域1優(yōu)化方案LC5-LC7工況最大應(yīng)力分布

對比原始設(shè)計的應(yīng)力結(jié)果，見表4。

表4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后最大應(yīng)力對比 MPa

從表4可以看出，增大開孔圓弧半徑后，各工況下的最大應(yīng)力水平均降低了18%左右，降低比例相當(dāng)。這說明，通過擴大開孔，將過渡的圓角半徑變大，可以有效地避免自由邊的應(yīng)力集中，使得應(yīng)力過渡更為順暢。雖然區(qū)域1處還有增加板厚的空間，但增加圓弧半徑的方法更為簡單有效。

5.2 區(qū)域2補強設(shè)計

區(qū)域2處位于整個艏門與主船體的交界突變處，該處圓弧半徑R=200 mm，在其自由邊與艏門連接的邊緣處，應(yīng)力集中很明顯。該結(jié)構(gòu)因空間的限制，不具備增加面板的條件。在不改變結(jié)構(gòu)形狀的方式之下，首先考慮增加板厚，該修改方案相對簡單也最為直接，將板厚由25 mm逐漸增加至85 mm，取5個值，每隔15 mm為一檔。計算結(jié)果見表5。

表5 區(qū)域2板厚改變應(yīng)力變化

由表5可見，隨著板厚的逐漸增大，應(yīng)力逐漸下降。當(dāng)板厚增加至55～70 mm之間，在其他形式不變的條件下，應(yīng)力滿足強度要求。但是，該處周圍板厚都是25 mm，如果此處板超過50 mm，則需加裝額外的焊接過渡板，且此處空間有限，增加過渡板不利制造。因此，板不應(yīng)超過50 mm。

此外，隨著板厚的增加，應(yīng)力水平下降的速率是不斷降低的，呈現(xiàn)出冪指數(shù)下降的規(guī)律，如圖9所示，當(dāng)板厚超過55 mm后，每增加1 mm，應(yīng)力降低不足7 MPa，雖然理論上，板厚可以超過100 mm，但當(dāng)板厚超過60 mm后屬于極厚板，極厚板的價格隨著板厚增加呈指數(shù)上升，不利于成本控制。只有在萬不得已的情況才考慮使用極厚板。

圖9 應(yīng)力隨板厚的變化

從區(qū)域1的應(yīng)力優(yōu)化分析結(jié)果上看，通過該改變角隅圓弧的大小可以降低應(yīng)力集中。因此，也可以通過該方法，降低區(qū)域2處角隅自由邊的應(yīng)力水平。由于區(qū)域2的空間非常有限，受密封圈的限制，此處上下空間最大500 mm，即圓弧最大增加至500 mm。為便于比較，在100～500 mm范圍內(nèi)選擇5個大小的圓弧作為分析對象，每隔100 mm為一檔，均在25 mm板厚基礎(chǔ)上進行分析，計算結(jié)果見表6。

表6 區(qū)域2圓弧增加應(yīng)力變化

由表6可見,減小圓弧半徑，自由邊的應(yīng)力會增加；而增大圓弧半徑，自由邊的應(yīng)力會降低，這點與區(qū)域1的結(jié)論一致。另外，隨著圓弧半徑的不斷增大，每增大1 mm半徑對應(yīng)力的降低程度是不斷下降的，呈現(xiàn)出冪指數(shù)的下降態(tài)勢，見圖10。

圖10 應(yīng)力隨圓弧半徑的變化

當(dāng)圓弧增大至400 mm時，再增加半徑，每增加1 mm半徑對應(yīng)力的降低不到0.3 MPa。由此可見，如果不受空間限制，圓弧增加到一定程度后，對應(yīng)力降低是沒有效果的。該規(guī)律與前面板厚的增加對應(yīng)力的影響較類似。此外，從應(yīng)力水平上看，在板厚25 mm時，圓弧半徑增加到空間極限500 mm，應(yīng)力為705 MPa，仍不滿足強度要求。由此可見，僅通過增大角隅處圓弧半徑無法滿足結(jié)構(gòu)強度的要求。

通過以上分析，可以判斷，降低區(qū)域2處的應(yīng)力水平，可定義2個變量參數(shù)——板厚t與圓弧半徑R。這2個變量參數(shù)對應(yīng)力水平的影響程度是相似的，即增大或者降低這2個變量，對應(yīng)力水平的影響是降低或者增大的。因此，應(yīng)力σ可以認為分別是板厚t與圓弧半徑R的單調(diào)遞減函數(shù)，令σ=f(t,R)，則有：

(5)

相對板厚來說，增大圓弧半徑對成本的影響幾乎為零，因此，當(dāng)R取區(qū)間內(nèi)最大值時，應(yīng)力σ可達最小值；同樣，板厚t取最大值時，能使應(yīng)力達到最小值。考慮成本、安全余量,取t=50 mm，作為最終補強方案。從表5與表6的應(yīng)力降低的絕對數(shù)據(jù)來看(圓弧增大至500 mm，降低136 MPa；板厚增加至40 mm，降低168 MPa)，最終的應(yīng)力會滿足強度要求，且有一定余量。

計算得到各工況下的應(yīng)力與原方案設(shè)計對比見表7。

表7 區(qū)域2補強前后最大應(yīng)力對比 MPa

由表7可見，補強過后，最大應(yīng)力為488 MPa，仍出現(xiàn)在冗余設(shè)計工況，結(jié)構(gòu)強度滿足要求，相比初始設(shè)計，降低應(yīng)力約42%，并留有15%的許用應(yīng)力余量。此外，無論是冗余工況還是一般工況，各工況的最大應(yīng)力都降低約40%左右，這個規(guī)律與表4一致?？梢?，在結(jié)構(gòu)分析時，同一個改進方案對不同工況最大應(yīng)力的影響程度幾乎是相同的，因此，在補強或優(yōu)化中只需針對主導(dǎo)工況進行分析，主導(dǎo)工況滿足要求，其他工況也會滿足要求，這對于多工況下復(fù)雜結(jié)構(gòu)的補強方案設(shè)計十分有利，可以節(jié)約較多的時間和成本。

6 結(jié)論

1)客滾船艏門支撐結(jié)構(gòu)強度分析的主導(dǎo)工況為冗余設(shè)計工況，艏門打開工況應(yīng)力最小。

2)除開艏門打開工況，靜水彎矩載荷可降低艏部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，Rina規(guī)范僅考慮局部載荷的做法，相對保守。

3)客滾艏門與主船體的交接突變處等圓弧，其應(yīng)力與板厚t和圓弧半徑R呈單調(diào)遞減函數(shù)關(guān)系，且應(yīng)力降低速率隨二者的增加而降低，呈冪指數(shù)關(guān)系；局部補強時，在滿足規(guī)范對開口構(gòu)件的設(shè)計等要求下，優(yōu)先考慮增大圓弧，對成本控制有利。

4)對多工況下復(fù)雜結(jié)構(gòu)的補強或者優(yōu)化時，可先利用主導(dǎo)工況進行方案設(shè)計，在滿足要求、確定方案后，再對完整工況進行校核。