柔性設計在汽車滾裝船上的應用

郭 維

(江蘇現代造船技術有限公司,江蘇鎮江 212003)

柔性設計在汽車滾裝船上的應用

郭 維

(江蘇現代造船技術有限公司,江蘇鎮江 212003)

以 4 000車位汽車滾裝船為例,探討了柔性設計在船體結構中的應用。通過對相關區域柔性設計的分析,特別是在裝載甲板區、疲勞區域和應力集中點處的處理以及裝載區域甲板設計考慮等方面,與普通設計的對比,詳細說明了柔性設計的結構特點和施工設計中的注意點。

柔性設計;裝載甲板;疲勞區域;彈性變形

0 引言

汽車滾裝船具有建造難度高,科技附加值高的特性,目前國際航運市場對滾裝船的需求很大。本文就最大可能在不影響該滾裝船安全航行的情況下,增加貨運面積,降低營運成本,并且在設計和建造過程中,充分理解這種設計理念,為縮短船舶建造周期,提高船舶建造質量,提供一定的參考意見。

1 總體布置

本船總長 167.25 m,型寬 28 m,設計吃水 8 m,大約能裝載 4 200輛各類汽車。全船一共 12層甲板,其中包括 2層升降甲板,第 5層甲板為水密甲板并貫穿全船,并帶 1個 80 t的尾跳和 1個 20 t的側跳。此船為單支柱結構,甲板平整貫通,各層甲板之間用升降斜坡道連通,便于車輛通行,上層建筑位于船頭,裝載甲板面積較大。4 000車位汽車滾裝船總布置圖如圖1所示。

圖1 4 000車位汽車滾裝船總布置圖

2 結構特點

柔性結構是指能通過部分或全部具有柔性的構件變形而產生位移的機械機構。一個柔性結構能夠傳遞或傳輸運動、力或能量。其最主要的特點就是可以從柔性構件的變形獲得它們的可運動性,以防止結構發生撕裂的危險。柔性設計正是運用了柔性結構的這種特點來進行船體結構設計的,是對普通設計的一種揚棄。本船中甲板橫梁的變形在一定的范圍以內,通過橫梁的彈性變形,在滿足強度要求的情況下,獲得 40～50 mm位移量。本船結構設計上的主要特點如下。

2.1 甲板強框的過渡

本船柔性設計出現在甲板 5以上區域,如圖2所示。

圖2 典型橫剖面圖

從圖2中可以看到,從上到下的舷側垂向強框支撐由小變大,此時在甲板 5處產生的拉應力為最大,非常容易被撕裂,為了減小這種力帶來的損害,同時最大可能提高營運面積,設計上采用了以下 2個措施:

(1)加肘板

加肘板是垂向強框處的主要連接方式。考慮到汽車和船員的安全,肘板又不能太大,也為了焊接時不產生高的應力點,因此將肘板與強框做成一體,這樣可以解決肘板上下趾端的應力。但對于肘板中間部分,仍將存在較大的應力,這時也可以通過適當加厚或加大肘板來控制它的受力。這樣,在甲板 5以上區域就不會出現強力結構,而且增加了貨運面積,降低了營運成本。

(2)增設 Z向加厚板

普通鋼板在厚度方向是不能承受拉應力的,非常容易被撕裂,因此在強框甲板 5端部增設 Z向加厚板可以起到承受板厚方向拉力的作用,如圖3所示。甲板 5處的支柱受力非常大,因而此區域選用的板非常厚。在施工時要求板與板之間必須上下對齊,焊接打磨光滑。同時為了確保對齊,則需加厚甲板,如插入板,這樣受力后傳遞更好。

2.2 橫向結構的連接

甲板 5以上的受力均由承擔橫向力的橫向結構來承擔,因此設計時不能出現應力點,結構的連接形式應特別注意。為了避免橫梁端部產生較大的彎矩,通常的做法就是加大橫梁 T型材。但對于P C T C船(純汽車卡車運輸船)來說,這種方法在一定程度上減小了貨運面積。因此,本船的做法就是讓舷側 T型材與橫梁端部錯位布置,其中又采用了縱、橫向扁鋼來傳遞受力。橫向結構連接示意圖如圖4云線圈出處。

圖3 中縱剖面

圖4 橫向結構連接示意圖

2.3 裝載甲板的設計

貨艙區裝載甲板設計時需要考慮的幾方面如下。

(1)確認最小的甲板層高

在本船中,甲板所受垂向彎矩若沒有傳到舷側的 T型材,則受力的甲板橫梁尺寸盡可能大。甲板層高的固定有利于確定甲板橫梁的最大尺寸。

(2)固定甲板載荷

甲板載荷包括均衡載荷(U D L)和局部載荷。只有將甲板載荷固定,才能進一步確認甲板橫梁的尺寸。

(3)重車布置圖

裝載重車需要有重車布置圖,結構加強及停車位置也必須按此圖布置。這種重車與甲板的接觸面積非常小,總噸位大,平均到每平方米的受力將超過U D L載荷。另外,甲板結構加強與停車的方向有關,因此應該嚴格按照此圖來停車。

2.4 RORO設備

RORO設備(滾裝船設備)因所處的位置和工作環境極易生銹或被污染,再加上受力情況比較復雜,除受外在壓力外,還會因船體結構變形或者船舶行駛過往中的振動,造成焊縫開裂或受力構件變形而產生疲勞損壞,因此其主要構件的設計不能做得太強,應通過構件的整體變形來獲得他們的可運動性,通過設置支撐墊塊,避免與船體結構的直接接觸,減少疲勞區域。

門孔設計時,除了增大門孔圓弧外,還須采用錯位布置,即艙壁上開孔與門不在同一個平面。門孔節點圖如圖5所示。

圖5 門孔節點圖

3 施工設計

上述設計已在實船中得到充分體現,只有深刻理解了這種設計意圖及方法,才能在生產設計過程中,對某些結構需要進行修改時,將這種理念具體地、詳細地體現在整個設計中。

(1)在保證此船基本性能的同時,不能將任意一處結構設計得非常強,以防止出現應力點。

(2)甲板 5及以上的水密結構非常重要,與滾裝設備的連接處需做測試。

(3)機艙煙道區域不要隨意開孔。機艙棚與甲板的連接處焊接后必須打磨光滑以消除應力。

(4)艏部水線以下的區域受海水瞬時壓力較大,為防止碰撞,此區域面積應增大;若此區域結構不連續需要補全。

(5)艉部減輕孔的布置不恰當會引起大的變形,要慎重考慮。

同時,由于在進行疲勞計算時,是在理想狀態上進行的,如焊角打磨光滑、焊縫整齊漂亮,因此在施工時應特別注意保障疲勞區域的受力點,一旦有任何閃失,是沒有機會補償的。需要注意的疲勞區域為:機艙棚與甲板的連接處,甲板保持連續,上下 T型材必須對齊;在機艙棚區域的開孔,應適當增大轉角處的半徑值;在防撞艙壁、支柱端部、橫梁與縱桁的連接處、甲板 5以上的橫艙壁、滾裝設備與船體結構的連接處及其他易發生撕裂的區域。

另外,在施工建造過程中對施工人員也提出了較高的要求,在焊接及打磨過程中應當注意這些疲勞區域,保證船舶建造質量。

4 結語

柔性設計理念已經越來越多地應用在滾裝船上,如何更加合理、有效地運用這種設計,還有待作進一步探索。同時,在實船的生產設計和建造過程中,仍然還有很多需要大家去解決和處理的問題。

U674.13+5

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2010-03-18

郭維(1976-),女,工程師,主要從事船體專業的施工設計、生產設計工作。