關于汽車運輸船剛性設計與柔性設計的強度比較分析

范德洪

（意大利船級社(中國)有限公司 上海200052）

關于汽車運輸船剛性設計與柔性設計的強度比較分析

范德洪

（意大利船級社(中國)有限公司 上海200052）

在汽車運輸船的設計中，一般存在剛性設計和柔性設計這兩種思路。剛性設計較傳統，但近年來也有汽車運輸船采用柔性設計的。文中以一艘5 000車的汽車運輸船為例，分別進行了剛性設計和柔性設計的艙段有限元分析，以比較兩種設計在結構強度方面的特點，并對柔性設計的支柱與甲板強框相交處的結構進行了細化和疲勞分析，為今后汽車運輸船的設計提供有價值的參考。

汽車運輸船；剛性設計；柔性設計；疲勞分析

引 言

近年來，隨著汽車工業和汽車貿易的不斷發展，以汽車為運輸對象的汽車滾裝船（PCTC）的市場需求也在不斷增加，向著速度更高、裝載量更大、性能更完善的方向發展［5］。船體結構設計一直是PCTC的技術難點。由于PCTC的結構特點，具有多層貫穿全船的車輛甲板，故其重心位置一般比較高，橫向撓曲強度成為結構設計中的關鍵。現實中，PCTC船設計通常有剛性設計和柔性設計兩種思路，而且各具特點。本文以一艘5 000車的PCTC為例，分別將采用剛性設計和柔性設計的船體結構在橫向撓曲工況下進行艙段有限元分析，以便了解兩種設計對于結構強度的影響。

1 剛性設計和柔性設計的特點

PCTC船的車輛甲板層數多，且大部分連續甲板位于干舷甲板。當船舶受到波浪的作用而產生橫搖時，左右舷水壓因不對稱而產生較大的橫向彎矩，且所裝載車輛的質量和因橫搖而產生并作用于汽車上的慣性力最終都將作用于船體結構，從而形成非對稱載荷。在剪切效應作用下，PCTC船的橫向強框架會發生歪斜，使得上半部分區域的船體相對下面船體發生偏轉，導致結構發生撓曲變形。由此可見，PCTC船結構設計中的橫向撓曲強度是否得到妥善解決是結構設計中十分關鍵的問題［6］。

傳統的剛性設計是指在結構設計中采用傳統的船舶結構力學原理和方式來解決PCTC船的橫向撓曲強度問題。通過在干舷甲板上下設置半橫艙壁和全橫艙壁與強肋骨、甲板強橫梁共同組成橫向防撓曲框架，來解決橫向撓曲強度問題［6］。本文所研究的5 000車PCTC剛性設計的中剖面如圖1所示。

圖1 剛性設計中剖面圖

柔性設計最早由挪威船級社提出，并逐步發展完善。其基本理念是允許橫向框架發生橫向位移，以減少構件端部的應力水平。各層車輛甲板的橫向強橫梁與舷側的強肋骨不直接相連，而是通過具有柔性變形的縱向構件交錯相連共同組成一個鉸鏈式的節點［6］。此縱向構件一般為扁鋼，自由邊不需加強，高度方向尺寸較大，能承受較大的扭曲變形而不損壞自身結構及兩端的連接節點。甲板強橫梁與舷側結構的一般連接如圖2所示。

圖2 甲板橫梁與舷側構件的連接

柔性設計不足之處在于結構較為復雜，關鍵節點的焊接要求為全焊透、要求100%探傷，施工難度較大［5］。文中的5 000車PCTC柔性設計的中剖面如下頁圖3所示。

2 意大利船級社的規范要求

由于橫向撓曲強度對于PCTC船至關重要，同時為了研究剛性設計和柔性設計對于PCTC船結構的影響，本文根據意大利船級社海船規范和關于PCTC船結構分析的指導性文件［1-2］，利用意大利船級社三維有限元計算軟件LH-3D，對一艘5 000車PCTC，在橫向撓曲工況下，進行了艙段有限元分析。

2.1 艙段模型的范圍

艙段有限元模型的范圍包括縱向、橫向和垂向。

（1）縱向沿船長包括兩個支柱之間的結構，并沿船長向前后各延伸最少一個半強框架。

（2）橫向包括整個船寬范圍內的結構。

（3）垂向從基線到最上層甲板的所有結構。

5 000車PCTC的艙段有限元模型如圖4所示。

圖4 艙段有限元模型

2.2 邊界條件

根據意大利船級社海船規范（簡稱RINA Rule）Pt.B Ch.7 App.1 3.6，模型的邊界條件如下所述：

（1）模型的尾端所有節點約束縱向和垂向的平動自由度，以及所有轉動自由度。在首端獨立節點上施加彎矩和剪力來保證模型的平衡。

（2）模型的首端所有縱向連續構件的節點施加剛性連接，連接于位于彎曲中和軸的獨立節點上，以使首端橫剖面在承受總縱彎曲時符合平斷面假設。

除了在模型首尾端部施加邊界條件外，由于橫浪工況下橫向載荷的作用，需要在首尾端添加彈簧單元來模擬端部船體結構對艙段結構橫向變形的約束。彈簧單元的剛度系數RD由式（1）求得。

式中：JD為帶舷側板的甲板平均橫截面的凈慣性矩，m4；AD為甲板板平均橫截面的凈面積，m2；Sa為舷側主要支撐構件的間距，m；x為從模型長度中間的橫剖面至甲板端部量得的縱向距離，m；LD為甲板長度，m。

2.3 載荷和裝載工況

根據RINA Rule Pt.B Ch.5 Sec.5，模型所承受的靜水壓力如表1所示。

根據PCTC船結構分析的指導性文件，由于本文研究的工況為橫向撓曲工況，波浪載荷和船體梁載荷均按照載荷工況“d ”來施加。

根據RINA Rule Pt.B Ch.7 App.2 4.3，船體梁載荷如表2所示。

橫浪狀態下的波浪壓力，根據RINA Rule Pt.B Ch.7 App.1，如表3所示。

表1 靜水壓力

表2 船體梁載荷

表3 橫浪狀態下的波浪壓力(載荷工況“d ”)

模型的裝載工況考慮滿載狀態，模型中的車輛載荷以均布載荷（UDL）的方式施加在各層甲板上。各層甲板的均布載荷如表4所示。

表4 甲板的車輛載荷UDLkN/m2

加載過后的艙段模型截面如圖5所示。

圖5 加載后的艙段模型截面

2.4 腐蝕增量

根據RINA Rule Pt.B Ch.7 App.2 3.1.2的要求，模型取凈厚度，考慮Pt.B Ch.4 Sec.2［1］規定的腐蝕增量。結構單元的凈厚度屬性為總厚度減去0.5tc。

2.5 校核橫準

根據RINA Rule Pt.B Ch.7 Sec.3 4.3，艙段模型主要支撐構件的相當應力σVM和剪應力τ12需滿足如下公式：

式中：Ry為材料的屈服應力，取值235/k，k為材料系數；γR為阻抗因子，對于粗網格模型，取值1.2；γm為材料因子，取值1.02。

由于5 000車PCTC的船體結構均采用高強度鋼，材料系數k=0.72，故校核衡準如表5所示。

表5 結構粗網格分析許用應力N/mm2

3 艙段有限元分析結果

將局部載荷和船體梁載荷施加在艙段有限元模型上，經過計算，應力和變形云圖如圖6 — 圖13所示。變形/應力云圖中的灰色部分為原始模型，彩色部分為變形以后的模型。可見，模型已發生明顯的橫向位移。

圖6 剛性設計變形和Von Mises應力云圖

圖7 柔性設計變形和Von Mises應力云圖

圖8 剛性設計變形和剪應力云圖

圖9 柔性設計變形和剪應力云圖

圖10 性設計支柱變形和Von Mises應力云圖

圖12 剛性設計橫向變形云圖

圖13 柔性設計橫向變形云圖

從計算結果的云圖可見，剛性設計總體上的應力水平和變形均小于柔性設計。特別是柔性設計中支柱上的應力水平比較高，這是設計中需要特別注意的問題。

4 柔性設計支柱細網格分析

由于在艙段粗網格模型分析中，柔性設計的支柱結構應力較高，需要進行細網格分析。分析的子模型為第三層和第五層重型車輛甲板的支柱結構，子模型的網格大小約為50×50，子模型的邊界條件和載荷由意大利船級社三維有限元計算軟件LH-3D從艙段總體模型中自動獲得。模型如圖14所示。

圖14 柔性設計支柱結構子模型

細網格分析的校核衡準為粗網格的校核衡準乘以一個系數a=1.3，同時阻抗因子γR取值1.1［3］。故校核橫準如表6所示。

表6 支柱結構細網格分析許用應力N/mm2

柔性設計支柱子模型的細網格分析結果如圖15和圖16所示。

圖15 支柱結構細網格Von Mises應力云圖

圖16 支柱結構細網格剪應力云圖

從細網格計算結果可以看出，支柱的Von Mises應力和剪應力水平都超過了許用應力。

5 柔性設計支柱疲勞分析

作為柔性設計的關鍵技術，支柱與甲板強框相交處結構的疲勞強度需要充分關注。

疲勞分析的規范要求參考意大利船級社鋼制海船規范Pt.B Ch.7 Sec.4，疲勞分析基于熱點隨時間變化引起的應力范圍。隨時間變化的局部和整體載荷由載荷工況a、b、c、d，以及滿載和壓載的裝載工況得出。

5.1 疲勞分析的結構模型

以第五層重型車輛甲板的支柱結構為研究對象，疲勞分析的子模型如圖17和圖18所示。

圖17 精細網格支柱子模型圖

圖18 局部放大圖

子模型的邊界條件和載荷由意大利船級社三維有限元計算軟件LH-3D自動從艙段總體模型中獲得。

熱點區域的精細網格大小為t×t，t為熱點周圍結構凈板厚的最小值。

5.2 疲勞分析結果

熱點分析位置和分析得出的在各種載荷工況和裝載工況下的切口應力范圍值如圖19和下頁圖20所示。 支柱節點的疲勞分析結果如下頁圖21所示。

圖19 熱點分析位置及切口應力范圍1

圖20 熱點分析位置及切口應力范圍2

圖21 支柱節點疲勞分析結果

從疲勞分析的結果可以看出，支柱節點應力集中最嚴重處的疲勞壽命只有9年，無法滿足規范中25年疲勞壽命的要求。

6 結 論

鑒于大型汽車滾裝船的橫向撓曲強度十分關鍵，本文根據意大利船級社海船規范和有關PCTC船結構分析的指導性文件，以一艘5 000車PCTC為研究對象，建立艙段有限元模型，并進行橫向撓曲強度的直接計算。從粗網格分析結果來看，由于船體結構均采用高強度鋼，兩種設計的結構強度均可以滿足指導性文件和規范中校核衡準的要求；而柔性設計由于其不同于剛性設計的特殊結構形式，在支柱與甲板強框相交處的應力水平更高，需作進一步細網格分析和疲勞分析。

作為PCTC柔性設計的關鍵技術，支柱端部節點及尺寸設計需要設計師和審圖師更加注意。支柱端部節點細網格分析的屈服強度和疲勞強度很難滿足規范要求，文中的計算結果證明確實如此，特別是支柱節點的疲勞壽命和規范要求相差很大。設計時要對這方面給予更高關注度。

在設計階段，柔性設計中的很多高應力區域都需要進行細化計算和疲勞分析；在建造階段，關鍵部位的焊接要求為全焊透，且100%探傷的施工要求很高［4］。因此，無論是設計方還是建造方，都面臨著嚴峻的挑戰。

［1］RINA.Rules for the Classification of Ships 2015［S］.2015.

［2］RINA.Guideline for the Structural Verification of PCTC［S］.2010.

［3］RINA.Guide on complete ship model calculation of passenger ships［S］.2014.

［4］應業炬， 柳向陽， 應帥.PCTC典型結構柔性設計與橫向強度分析［J］.造船技術， 2011（6）： 14-17.

［5］謝立新.2 000車位汽車滾裝船設計特點［J］.船舶設計通訊， 2010（2）： 3-8.

［6］張敏健.中大型汽車滾裝船設計［J］.上海造船， 2010（3）： 22-26.

Strength comparison between rigid deck design and hinged deck design about PCTC

FAN De-hong
(RINA Italy Classif cation Society (China) Co., Ltd., Shanghai 200052, China)

In the design of pure car and truck carrier (PCTC), there are two design concepts in general, the traditional rigid deck design and the hinged deck design that has been used recently.For a 5 000 cars carrier, it carries out the finite element analysis for the cabins designed by the two methods respectively to examine their characteristics of the structural strength.The structures at the intersections of the pillars and the deck webs which are design by the hinged deck design method are refined for the fatigue analysis.It will provide valuable references for the design of PCTCs in future.

PCTC ( pure car and truck carrier); rigid deck design; hinged deck design; fatigue analysis

U661.43

A

1001-9855（2016）06-0041-09

2016-07-28；

2016-09-25

范德洪（1966-），男，船舶部副經理，新造船部經理，研究方向：新造船的審查和管理。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.041