艦載方艙側(cè)壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙超，曾文源，王平，范嘯平

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

現(xiàn)有對方艙結(jié)構(gòu)性能的分析大多都基于陸用方艙。對于陸用的車載方艙，其承受載荷主要為內(nèi)部設(shè)備的質(zhì)量及運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的慣性力。陸用方艙主要靠底板和框架結(jié)構(gòu)承受載荷，大部分的研究工作也都針對框架結(jié)構(gòu)[1，2]。船用方艙，一般安裝于露天甲板上，搭載環(huán)境的不同，使其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷有別于陸用方艙，除了設(shè)備的載荷外，還應(yīng)考慮隨船運(yùn)動(dòng)的慣性載荷、高海況下的上浪載荷等。海上的環(huán)境比陸上的環(huán)境復(fù)雜得多。方艙上艦后，可以視為船體的一部分，按船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路去設(shè)計(jì)。本文僅討論方艙側(cè)壁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要從以下幾方面來考慮。

1)結(jié)構(gòu)的安全性。側(cè)壁結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。保證在搭載期間，遭遇高海況下上浪載荷時(shí)，側(cè)壁結(jié)構(gòu)不受破壞。

2)結(jié)構(gòu)的變形要求。方艙內(nèi)部空間緊張，設(shè)備與側(cè)壁間的空間狹小。側(cè)壁結(jié)構(gòu)在承受載荷時(shí)過大變形會影響到內(nèi)部設(shè)備，可能會導(dǎo)致設(shè)備使用異常，甚至損壞設(shè)備。因此，側(cè)壁應(yīng)保證一定的剛度，以免出現(xiàn)過大變形。

3)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制。船上主要激勵(lì)源有螺旋槳軸頻和葉頻激勵(lì)、主發(fā)電機(jī)柴油機(jī)一階二階不平衡力和力矩、推進(jìn)電機(jī)激勵(lì)。為了避免發(fā)生共振，而影響設(shè)備的工作環(huán)境，應(yīng)使方艙側(cè)壁的振動(dòng)固有頻率避開上述船體主要激勵(lì)頻率。

4)結(jié)構(gòu)防火的考慮。方艙作為獨(dú)立的工作艙室，置于艦船的開闊甲板上，根據(jù)《國際海上人命安全公約》[3]的規(guī)定，方艙艙壁應(yīng)為“A-0”級防火分隔，《國際耐火試驗(yàn)程序應(yīng)用規(guī)則》[4]對“A” 分隔的結(jié)構(gòu)尺度有著明確的最小要求。

5)結(jié)構(gòu)重量的控制。過重的加載會改變船體的質(zhì)量分布，影響船舶總縱強(qiáng)度。為方便裝卸、吊運(yùn)，功能模塊一般置于露天甲板上，使得船體的重心高度上升，對穩(wěn)性產(chǎn)生不利影響。在滿足結(jié)構(gòu)性能的要求下，應(yīng)控制方艙質(zhì)量。

1 側(cè)壁設(shè)計(jì)載荷分析

將方艙視為船體的上層建筑，其側(cè)壁受到的上浪載荷可參考露天的上層建筑端壁和甲板室圍壁(端壁和側(cè)壁)的設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行計(jì)算。

參照CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2018)[5]，方艙側(cè)壁載荷的計(jì)算壓頭為

h=αδ(βλ-γ)

(1)

式中：α、β、λ、δ為系數(shù)，與母船的主尺度以及方艙安裝的位置有關(guān)。

系數(shù)α按下式計(jì)算。

α=0.006 7L1+0.5

(2)

式中：L1為船長，m，取值不必大于300 m。

系數(shù)β按下式計(jì)算。

(3)

(4)

式中:L為船長，m；X為艉垂線至考慮側(cè)壁的距離，m，對方艙側(cè)壁，應(yīng)量至側(cè)壁長度的中點(diǎn)處；Cb為方形系數(shù)，當(dāng)Cb<0.6時(shí)，取0.6；當(dāng)Cb>0.8時(shí)，取0.8。

系數(shù)λ按下式計(jì)算。

(5)

(6)

λ=11.03，當(dāng)L≥300 m時(shí)

(7)

式中：L為船長，m。

系數(shù)δ按下式計(jì)算。

(8)

式中：b為所考慮位置的甲板室寬，m；B1為船舶的露天甲板在所考慮位置處的最大實(shí)際寬度，m。

對于上層建筑、機(jī)艙棚的露天部分和保護(hù)泵艙開口的甲板室應(yīng)取δ=1。

方艙側(cè)壁載荷的計(jì)算壓頭除了按式(1)計(jì)算外，還應(yīng)不小于表1計(jì)算值。

表1 計(jì)算壓頭的最小值 m

2 側(cè)壁結(jié)構(gòu)型式對比分析

為保證方艙能快速裝卸、轉(zhuǎn)運(yùn)、堆碼等操作，一般方艙外形尺寸選用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱尺寸。以某船為搭載平臺，將TEU標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸(6 058 mm×2 438 mm×2 591 mm)的方艙安裝于甲板舯后部區(qū)域某一位置處，方艙長邊沿船長方向布置，見圖1。采用第2節(jié)的計(jì)算方法，得出該方艙側(cè)壁的上浪載荷。

圖1 方艙安裝位置示意

2.1 結(jié)構(gòu)型式分析

艦載方艙的側(cè)壁結(jié)構(gòu)主要采用2種型式。

1)加筋板結(jié)構(gòu)型式。加筋板的結(jié)構(gòu)型式多用于船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為了滿足強(qiáng)度、剛度的要求，加強(qiáng)筋的間距及尺寸都會有一定的要求。加強(qiáng)筋會占用艙室部分空間，也會增大結(jié)構(gòu)重量。加筋板結(jié)構(gòu)型式見圖2。

圖2 加筋板結(jié)構(gòu)示意

2)波紋板結(jié)構(gòu)型式。波紋板結(jié)構(gòu)形式多用于集裝箱和陸用方艙，有著良好的強(qiáng)度、剛度，且占用空間較小，質(zhì)量較輕等優(yōu)點(diǎn)。波紋板一般是由普通鋼板軋制而成。波紋板結(jié)構(gòu)型式及波紋的相關(guān)參數(shù)見圖3、4。

圖3 波紋板結(jié)構(gòu)示意

圖4 波紋板主要參數(shù)示意

2.2 結(jié)構(gòu)性能對比分析

《國際耐火試驗(yàn)程序應(yīng)用規(guī)則》對結(jié)構(gòu)“A-0”級防火的結(jié)構(gòu)尺度的有著最小要求，要求艙壁板厚應(yīng)不小于4 mm。給出加筋板的尺度和波紋板的主要尺寸，2種方案的結(jié)構(gòu)重量相等。見表2。

表2 加筋板和波紋板的結(jié)構(gòu)方案

以某20 ft方艙為例，不計(jì)側(cè)面的框架結(jié)構(gòu)，側(cè)壁板的實(shí)際尺寸為：5 738 mm×2 221 mm。

采用MSC.Patran建立加筋板和波紋板的有限元模型[6,7]。為準(zhǔn)確模擬波紋形狀，波紋板和加筋板模型網(wǎng)格尺寸均為50 mm×50 mm，加強(qiáng)筋用梁單元進(jìn)行模擬。

材料采用屈服強(qiáng)度為235 MPa的普通船用CCSA級鋼，結(jié)構(gòu)材料彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，材料密度為7.85×10-9t/mm3。2種結(jié)構(gòu)型式的有限元模型見圖5、6。

圖5 加筋板有限元模型

圖6 波紋板有限元模型

側(cè)壁板的四周與方艙框架結(jié)構(gòu)連接，實(shí)際邊界條件介于簡支與固支之間。本文不探討邊界條件的影響，僅對比分析在相同邊界條件和載荷下，不同結(jié)構(gòu)型式側(cè)壁板的力學(xué)性能。假定板的邊界約束條件為四周簡支。板架固有頻率計(jì)算四周簡支，無載荷。

上浪時(shí)，方艙整個(gè)側(cè)面承受載荷，因此，將第2節(jié)計(jì)算得到的載荷滿鋪均勻施加于模型上。主要計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 加筋板和波紋板的計(jì)算結(jié)果

由表3可知，在相同的載荷作用下，波紋板的最大應(yīng)力值和最大變形值比加筋板的要小；另外波紋板的一階振動(dòng)固有頻率較加筋板大，能更易實(shí)現(xiàn)對母船的激勵(lì)源頻率的高避。

對于相同重量下的加筋板和波紋板，其結(jié)構(gòu)型式帶來的結(jié)構(gòu)性能方面的差異較大。相比而言，波紋板在強(qiáng)度、剛度和固有頻率等方面都更為滿足設(shè)計(jì)需求。

3 波紋板結(jié)構(gòu)型式分析

波紋板結(jié)構(gòu)與槽型艙壁結(jié)構(gòu)類似，但方艙側(cè)壁和槽型艙壁考慮的載荷不同，因此,槽型艙壁的相關(guān)規(guī)范要求不可完全借用。波紋板的定義參數(shù)較多，如何取值沒有確切可依的規(guī)范[8-10]。因此，本節(jié)采用有限元直接計(jì)算對波紋的面板與腹板的夾角、面板寬度及波紋深度等主要參數(shù)對結(jié)構(gòu)性能的影響進(jìn)行研究。計(jì)算方法同2.2。

3.1 腹板與面板夾角的影響分析

對上述尺寸的波紋板。研究腹板與面板夾角的變化對結(jié)構(gòu)性能的影響。波紋板是用鋼板沖壓形成，從工藝角度來看，夾角范圍為0°～90°。因此，保持波紋的腹板寬度及波紋深度不變，夾角從15°～90°每隔15°變化。分析工況見表4。工況1～5波紋板形狀與圖7從上至下依次對應(yīng)。

表4 不同夾角工況說明

圖7 不同夾角的波紋板示意

不同夾角計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 不同夾角計(jì)算結(jié)果

由表5可見，隨著波紋板夾角的增加，應(yīng)力水平和最大變形下降明顯。板架固有頻率和重量隨夾角增大而增大。夾角越接近于90°越有利于板架的強(qiáng)度和剛度。圖7所示夾角越大，波紋數(shù)越多，從而增大了板架的強(qiáng)度和剛度。

各工況下結(jié)構(gòu)性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果相對于質(zhì)量的比率，反映了增加單位質(zhì)量時(shí)，各性能的變化量，見表6。

表6 不同夾角下各性能參數(shù)相對重量的比率

表6中顯示工況1～2時(shí)板架結(jié)構(gòu)增加單位質(zhì)量時(shí)，性能的提高幅值是最大的，工況2之后再增加質(zhì)量，性能的優(yōu)化幅度減少。工況2方案是最為經(jīng)濟(jì)有效的選擇。在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的前提下，波紋腹板與面板的夾角取30°時(shí)最為經(jīng)濟(jì)有效。

3.2 面板寬度的影響分析

經(jīng)上分析，波紋的腹板與面板的夾角取為30°，保持波紋深度不變，波紋面板寬度從50～250 mm變化。分析工況見表7。工況6～10波紋板形狀與圖8從上至下依次對應(yīng)。

表7 不同面板寬度工況說明

圖8 不同面板寬度的波紋板示意

波紋板在設(shè)計(jì)載荷作用下的結(jié)構(gòu)性能計(jì)算結(jié)果見表8。隨著面板寬度的增加，最大應(yīng)力值下降明顯，在面板寬度為200 mm時(shí)存在最小值；最大變形值在面板寬度為150 mm時(shí)達(dá)到最小值，且整體變化幅度不大；板架的整體重量隨面板寬度的變化變化幅值不大。相較而言，方艙內(nèi)部空間緊張，側(cè)壁變形要求相對嚴(yán)苛，權(quán)衡考慮，選取面板寬度為150 mm。

表8 不同面板寬度計(jì)算結(jié)果

3.3 波紋深度的影響分析

波紋面板寬度、夾角保持不變，波紋深度取30、50、80和100 mm 4種工況。工況11～14波紋形狀見表9與圖9。

表9 不同波紋深度工況說明

圖9 不同波紋深度的波紋板示意

在設(shè)計(jì)載荷作用下不同波紋深度波紋板的計(jì)算結(jié)果見表10。

表10 不同波紋深度計(jì)算結(jié)果

隨著波紋深度的增加，最大應(yīng)力值和變形值下降明顯，板架的整體質(zhì)量變化幅值不大。

波紋深度的變化對應(yīng)力值和變形值的影響較大，增大波紋深度可有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能。但實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，波紋深度直接影響了方艙內(nèi)部空間，波紋深度越小，內(nèi)部空間越充足，因此，在滿足結(jié)構(gòu)性能的前提下，波紋深度理應(yīng)越小越好。

4 結(jié)論

1)艦載方艙側(cè)壁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因其使用環(huán)境的特殊性，其設(shè)計(jì)要求應(yīng)等同于船體，設(shè)計(jì)載荷按上建側(cè)壁承受的載荷考慮。

2)對于相同質(zhì)量下的加筋板和波紋板，波紋板在強(qiáng)度、剛度、固有頻率等方面都存在一定的優(yōu)勢。

3)波紋夾角的增大有利于波紋的結(jié)構(gòu)性能；權(quán)衡性能與重量的考慮，波紋腹板和面板為30°時(shí)，為最經(jīng)濟(jì)合理的方案。

4)對所選定的波紋板，存在最佳的面板寬度使波紋板架最大應(yīng)力值最小，同時(shí)也存在另一最佳的面板寬度使波紋板架在載荷作用下變形值最小。實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)權(quán)衡考慮應(yīng)力水平與變形的要求，選擇較優(yōu)方案。

5)波紋深度的變化對最大應(yīng)力值和最大變形值的影響較大，增大波紋深度可有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能。但實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，波紋深度受到方艙內(nèi)部空間的制約。