大型汽車滾裝船固定坡道結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

劉在良，葉步永，李曉彬，胡文鳳，張舟波

(1.浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021；2.揚(yáng)帆集團(tuán)股份有限公司，浙江 舟山 316004；3.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063)

汽車滾裝船具有方型系數(shù)和初穩(wěn)性高小，上建受風(fēng)面積大的特點(diǎn)，且型寬比常規(guī)滾裝船寬，貨艙區(qū)多甲板，整個(gè)貨艙區(qū)域幾乎不設(shè)橫艙壁，因此橫搖問題特別突出。當(dāng)汽車滾裝船受到波浪的作用特別是橫浪而產(chǎn)生歪斜(racking)，左右舷海水壓不對(duì)稱產(chǎn)生較大的橫向彎矩，以及滿載時(shí)汽車的均布載荷加上橫向慣性力反過來作用到甲板，在這種非對(duì)稱載荷的剪切作用下，很容易發(fā)生扭曲變形。船舶實(shí)際運(yùn)營過程中，在波浪作用下歪斜是左右舷不停變換的，這種作用力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞問題特別突出，極易產(chǎn)生裂紋[1-3]。7 800 PCTC是現(xiàn)存的世界上最大的柔性結(jié)構(gòu)汽車滾裝船，該船5甲板以下是剛性結(jié)構(gòu)，以上是柔性結(jié)構(gòu)。柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在甲板與舷側(cè)區(qū)域的結(jié)構(gòu)基本節(jié)點(diǎn)是由彈性鉸鏈構(gòu)件、支撐肘板和甲板橫向強(qiáng)構(gòu)件組成的柔性連接，利用框架橫向位移減少構(gòu)件上的應(yīng)力水平。為了裝卸車的靈活性，以及裝載不同高度的車輛，除設(shè)定有固定甲板外還配有活動(dòng)甲板，同時(shí)也設(shè)有不同形式的坡道，包括固定坡道、活動(dòng)坡道。該船從6甲板到7甲板的固定坡道處于柔性結(jié)構(gòu)區(qū)域，前期設(shè)計(jì)未進(jìn)行細(xì)化有限元分析，為此，通過細(xì)化有限元強(qiáng)度計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)不滿足應(yīng)力衡準(zhǔn)的位置正是實(shí)船發(fā)生裂紋的地方，找出裂紋發(fā)生原因，并對(duì)坡道區(qū)域結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化。

1 坡道結(jié)構(gòu)及裂紋情況分析

所述固定坡道采用的吊掛式結(jié)構(gòu)，與甲板結(jié)構(gòu)采用剛性連接，主要焊縫是全焊透設(shè)計(jì)，5甲板及以下是剛性設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其上是柔性設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；該坡道寬5.4 m、長約55 m，縱向近船中、橫向近左舷舷側(cè)，坡道由左右縱艙壁和坡道底板組成。裂紋在坡道內(nèi)縱壁上，內(nèi)縱壁結(jié)構(gòu)采用垂直扶強(qiáng)材進(jìn)行加強(qiáng)且在甲板處采用肘板連接，主垂直扶強(qiáng)材與甲板強(qiáng)橫梁焊接，見圖1生產(chǎn)設(shè)計(jì)3D幾何模型。該坡道的尺寸及所處的位置，正是船舶歪斜工況下變形和應(yīng)力特別高的區(qū)域[4]。

圖1 坡道縱壁3D生產(chǎn)設(shè)計(jì)模型

7 800 PCTC汽車滾裝船在運(yùn)營過程中滿載條件下遭遇臺(tái)風(fēng)，陣風(fēng)超過15級(jí)，據(jù)船長口述船舶橫搖和縱搖都非常大。臺(tái)風(fēng)后對(duì)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)所述坡道的縱壁強(qiáng)肋骨處存在裂紋，介于6～7甲板之間，具體位置見圖2：a坡道縱壁垂直桁的端部靠近坡道底板處；b縱壁垂直桁與坡道板相交所開的過焊孔處；c縱壁垂直桁和甲板強(qiáng)橫梁相交處。

圖2 坡道裂紋照片

圖2上裂紋清晰可見。查看常規(guī)網(wǎng)格整船有限元歪斜工況有限元分析，該處結(jié)構(gòu)應(yīng)力值滿足許用要求，因該船運(yùn)營時(shí)間并不長，因此不太可能是疲勞裂紋，故推斷原常規(guī)網(wǎng)格的整船有限元分析未完全體現(xiàn)該坡道結(jié)構(gòu)的受力情況。為了驗(yàn)證推斷的正確性并最終解決裂紋問題，遂對(duì)該坡道結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化有限元分析。

2 細(xì)化有限元分析

2.1 有限元計(jì)算模型

選取靠近艏端部的2根垂直桁作為分析對(duì)象進(jìn)行細(xì)化有限元分析，網(wǎng)格單元選取50 mm×50 mm，分析區(qū)域均采用板單元，在高應(yīng)力區(qū)均采用四邊形單元，細(xì)化有限元模型及板厚信息見圖3。

圖3 有限元模型

2.2 載荷工況和約束

根據(jù)計(jì)算模型的范圍建立一子模型，嵌入到常規(guī)網(wǎng)格母模型中對(duì)歪斜工況進(jìn)行計(jì)算。

全船常規(guī)網(wǎng)格有限元分析考慮船舶在波浪作用情況下產(chǎn)生歪斜變形后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，載荷加載示意于圖4。橫搖角根據(jù)DNV規(guī)范計(jì)算取20°，載荷的具體內(nèi)容包含：結(jié)構(gòu)自重，通過加速度的方式施加到模型中；舷外海水壓力包括9.5 m滿載吃水的靜壓力和波浪壓力；車輛載荷以及車輛載荷引起的慣性力，車輛載荷通過均布載荷施加，相關(guān)的加速度根據(jù)DNV船級(jí)社規(guī)范計(jì)算求得；壓載艙和燃油艙的壓力，根據(jù)船舶實(shí)際裝載的艙室以壓力形式施加[6-8]。

圖4 常規(guī)有限元模型載荷示意

根據(jù)挪威船級(jí)社規(guī)范相關(guān)要求，全船有限元分析歪斜工況時(shí)，載荷體系應(yīng)使得全船處于平衡狀態(tài)。首先在干舷甲板處首部最前面的交點(diǎn)約束X、Y、Z方向的位移，干舷甲板處艉封板最左舷的點(diǎn)約束Z方向的位移，干舷甲板處艉封板最右舷的點(diǎn)約束Y、Z方向的位移；通過手動(dòng)施加對(duì)稱載荷，來控制模型節(jié)點(diǎn)約束的支反力在1%以內(nèi)。為了不產(chǎn)生額外的不平衡力，在調(diào)平衡過程中調(diào)節(jié)平衡力矩是通過施加對(duì)稱力偶完成的。調(diào)平衡是歪斜工況的一個(gè)難點(diǎn)，約束的支反力越小，結(jié)果越接近實(shí)際值，本文調(diào)平衡后的平均支反力在0.6%左右。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果應(yīng)力分布云圖見圖5、6。

圖5 右舷斜菱工況應(yīng)力云圖

1)由圖5可見右舷歪斜工況最大應(yīng)力值為855 MPa，圖6可見左舷歪斜工況最大應(yīng)力值為558 MPa，根據(jù)DNV規(guī)范AH36材質(zhì)高強(qiáng)度鋼，50×50的細(xì)化網(wǎng)格許用應(yīng)力為516.1 MPa，左右舷歪斜工況計(jì)算結(jié)果都超出許用衡準(zhǔn)，右舷的更為突出。

圖6 左舷斜菱工況應(yīng)力云圖

2)實(shí)船產(chǎn)生裂紋的3個(gè)具體位置的應(yīng)力值如下。①坡道縱壁垂直桁的端部靠近坡道底板處應(yīng)力值為568 MPa；②縱壁垂直桁與坡道板相交所開的過焊孔處應(yīng)力值為405 MPa；③縱壁垂直桁和甲板強(qiáng)橫梁相交處應(yīng)力值為855 MPa。

3)裂紋處的應(yīng)力值均超出高強(qiáng)鋼許用載荷，由此可以看出裂紋產(chǎn)生并非偶然，再加上臺(tái)風(fēng)天氣極限工況突風(fēng)高達(dá)15級(jí)，超過穩(wěn)性計(jì)算的10級(jí)風(fēng)，橫搖角也超過計(jì)算的20°，遂產(chǎn)生了較嚴(yán)重裂紋。

4)由圖2可以看出，該處坡道采用的是剛性連接的形式，即甲板強(qiáng)橫梁和坡道的強(qiáng)結(jié)構(gòu)布置在同一肋位，且采用焊接加肘板的連接形式；而6甲板以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是采用的柔性設(shè)計(jì)，柔性設(shè)計(jì)導(dǎo)致該處的變形特別大，因此坡道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不合理。

5)當(dāng)初全船有限元歪斜工況分析時(shí)并未發(fā)現(xiàn)問題，查看了原常規(guī)網(wǎng)格全船有限元分析，發(fā)現(xiàn)T型材的面板和球扁鋼均采用梁單元模擬，且肘板并未建模；有限元分析時(shí)板的應(yīng)力并不是非常高，而只有梁的組合應(yīng)力偏高，但在整船有限元分析時(shí)，不超衡準(zhǔn)的情況下很容易疏忽掉梁的組合應(yīng)力；這正是開發(fā)設(shè)計(jì)在全船范圍內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)該坡道的結(jié)構(gòu)問題。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

考慮坡道所受垂向載荷并不大，主要的受力是車輛載荷及慣性力，因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要在甲板橫梁端部頂?shù)狡碌揽v壁處進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)優(yōu)化，主要內(nèi)容包括：縱壁上的垂直桁和甲板強(qiáng)橫梁做成柔性連接不相交；垂直桁下部與坡道底板連接斷開，端部增加一橫向的加強(qiáng)筋，做成柔性連接；縱壁垂直扶墻材頂部與甲板縱骨的連接肘板取消；縱壁上甲板強(qiáng)橫梁端部頂?shù)降奈恢茫黾右恍╅_孔，做成類似防撓梁的結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)模型見圖7，細(xì)化有限元模型見圖8[9]。

圖7 優(yōu)化后坡道縱壁3D幾何模型

圖8 優(yōu)化后有限元模型及板厚分布

1)優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果見圖9和圖10，右舷最大應(yīng)力值為340 MPa，左舷最大應(yīng)力值為290 MPa，小于許用應(yīng)力值516.1MPa，和優(yōu)化前對(duì)比，應(yīng)力減小約60%。

圖9 右舷斜菱工況應(yīng)力云圖

圖10 左舷斜菱工況應(yīng)力云圖

2)最大應(yīng)力主要發(fā)生在端部那1根垂直桁與甲板和坡道的連接處，因首尾支撐的垂直桁不能取消，所以承受了主要應(yīng)力，但細(xì)化有限元分析結(jié)果在許用范圍之內(nèi)。

3)典型的做成柔性連接形式的垂直桁，應(yīng)力值下降非常明顯見圖8、圖9，可見該坡道剛性連接是產(chǎn)生裂紋的主要原因。

4)因優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)比原先結(jié)構(gòu)更弱，還對(duì)滿載時(shí)的正浮工況進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果顯示相鄰的立柱應(yīng)力上升約20 MPa，坡道板應(yīng)力變化不大，但梁的應(yīng)力值下降明顯。

5)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力能滿足應(yīng)力衡準(zhǔn)要求，開孔角隅處疲勞計(jì)算滿足20年的材料壽命要求。

4 結(jié)論

1)有限元分析結(jié)果與實(shí)船的位置相一致，驗(yàn)證了調(diào)平衡法計(jì)算橫搖理論分析的可靠性。

2)該坡道在干舷甲板以上，且原常規(guī)網(wǎng)格整船有限元分析時(shí)應(yīng)力并不大，因此在設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)并未對(duì)其進(jìn)行細(xì)化有限元分析。本文分析表明，設(shè)計(jì)時(shí)無論時(shí)間周期多緊張，坡道處的細(xì)化有限元計(jì)算必不可少。

3)柔性設(shè)計(jì)的汽車滾裝船，剛性甲板和柔性甲板連接的坡道，首選活動(dòng)坡道連接形式；但出于成本的考慮，若選用固定式坡道，甲板和坡道連接的結(jié)構(gòu)需采用柔性連接形式，即甲板強(qiáng)橫梁與坡道垂直桁采用錯(cuò)位布置，端部做成鉸鏈?zhǔn)竭B接形式；本文也嘗試著把坡道結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛性加強(qiáng)，但由于滾裝船裝車的特點(diǎn)，角落不能設(shè)置肘板，因此結(jié)構(gòu)厚度寬度加到很大也不能滿足要求。