大型汽車滾裝船艉門基座支撐結(jié)構(gòu)強度分析*

徐 峰，陳 偉，葉步永，胡文鳳

(1.舟山市知創(chuàng)科技開發(fā)有限公司，浙江 舟山 316004；2.舟山海之帆造船技術(shù)有限公司，浙江 舟山 316004；3.揚帆集團股份有限公司，設(shè)計研究院，浙江 舟山 316004)

0 引 言

汽車滾裝船是指通過跳板采用滾裝方式裝卸貨車輛的船舶，因此艉門的布置是汽車滾裝船的重點和難點之一，其要求在符合坡道、長度、寬度的基礎(chǔ)上，盡量低的位置。滾裝船具體裝卸貨效率高，船舶周轉(zhuǎn)快和水路直達聯(lián)運方便等優(yōu)點，為方便裝卸貨，大型汽車滾裝船的艉門通常設(shè)于尾部且中部配有邊門，設(shè)有鉸接跳板與岸搭接，方便車輛裝卸。

7800車汽車滾裝船是現(xiàn)存的世界上最大的柔性結(jié)構(gòu)的汽車滾裝船，該船全長199.90 m、型寬35.45 m、型深34.275 m，全船分為13層甲板，該船5甲板以下是剛性結(jié)構(gòu)，以上是柔性結(jié)構(gòu)。艉門設(shè)在船體尾部右舷，從6甲板到13甲板，艉門總長38.365 m，車道寬度為7.6 m，通行的車輛最高車輛為5.3 m，總重量為130 t；艉門的開啟和關(guān)閉是通過布置在13甲板的絞車及滑輪裝置，以液壓方式實現(xiàn)的。此文通過MSC Patran和MSC Natran軟件對7800PCTC汽車滾裝船13甲板操縱裝置基座進行有限元強度計算，主要研究了6種工況下基座及船體支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的特點提出合理有效的結(jié)構(gòu)加強建議，為大型汽車滾裝船開發(fā)設(shè)計提供參考。

1 有限元計算模型

文中主要選取了7800PCTC尾部的有限元模型，縱向從-8號肋位到31號肋位，橫向從右舷外板到左舷外板，垂向從船底到13甲板，另外對鉸鏈支撐座進行建模；為了能準確的計算艉門操作裝置下底座及船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)，主要受力處模型采用細網(wǎng)格建模，細網(wǎng)格要求盡可能的采用4邊形單元，單元網(wǎng)格大小最大50 mm，部分鉸鏈結(jié)構(gòu)受力采用MPC單元施加。有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

2 載荷工況、約束和許用衡準

2.1 載荷工況內(nèi)容

艉門載荷工況主要考慮艉門從關(guān)閉狀態(tài)打開到最大角度狀態(tài)，在艉門關(guān)閉時支撐架主滑輪鋼絲繩與垂直方向成82°角，在艉門打開到最大角度時，主滑輪鋼絲繩與垂直方向成49°角。艉門操作裝置的受力主要包括工作工況和極限工況，工作工況是艉門在這兩個角度之間在絞車作用下艉門打開和關(guān)閉，極限工況是考慮艉門在工作工況時，其中一根鋼絲繩突然斷裂，另一根鋼絲繩獨立作用時的工況。根據(jù)計算49°角和82°角是受力最大的2個狀態(tài)，本文選取該兩種角度，共6種工況對支撐座及船體結(jié)構(gòu)進行校核，具體工況如表1所列。

表1 載荷工況

極限工況具體受力以工況1為例進行說明，其它工況是受力位置及角度變換所進行受力變換。極限工況考慮鋼絲繩突然斷裂，一根鋼絲繩需要承擔艉門的自重和加速度，具體的受力如圖2所示，每個點的具體受力載荷如表2所列。

圖2 滑輪布置和受力圖

表2 工況1各點受力載荷 /kN

2.2 約束的選取

因計算模型是在全船模型中取出的尾部模型，橫向和垂直已經(jīng)是船舶真實的范圍，所以在模型的首端做自由支持的約束，即約束X，Y，Z三個方向的平動，轉(zhuǎn)動處于自由狀態(tài)。

2.3 許用衡準

工況許用衡準如表3所列。

表3 材料許用衡準

該模型在主要受力區(qū)域采用的是細網(wǎng)格單元，許用應(yīng)力可以適當提高。

3 結(jié)果分析

經(jīng)計算得到甲板及支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果，云圖如圖3、4所示。最大應(yīng)力值見表4所列。

圖3 甲板及支撐結(jié)構(gòu)正應(yīng)力圖

圖4 甲板及支撐結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力圖

表4 應(yīng)力匯總

應(yīng)力結(jié)果分析：①從表4可以看出前面4種工況的應(yīng)力明顯高于后兩種，已經(jīng)接近初網(wǎng)格AH36高強鋼的許用衡準；②因在主要受力區(qū)域模型采用的是細網(wǎng)格單元，因此此計算模型結(jié)構(gòu)還是比較安全；③最大的剪切應(yīng)力主要出現(xiàn)在支撐結(jié)構(gòu)的面板處，因此設(shè)計時要注意面板的寬度和厚度，端部結(jié)構(gòu)面板禁止銷斜；④該計算結(jié)果已經(jīng)是對原船的結(jié)構(gòu)進行過優(yōu)化，加強結(jié)構(gòu)都是正對著支撐基座，且用了剖面模數(shù)較大的T型材，其它船舶設(shè)計時可參考該加強形式；⑤因主要支撐結(jié)構(gòu)剖面模數(shù)較大，因此該甲板區(qū)域板厚也要適當加強，注意避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

4 結(jié) 語

通過對7800PCTC艉門操縱裝置底座及支撐結(jié)構(gòu)進行有限元強度評估，詳細描述了模型的形式范圍特點，以及不同工況下的受力形式，并輸出了結(jié)果，通過結(jié)果可以看出該船結(jié)構(gòu)及加強滿足材料許用衡準要求。另通過結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)，對結(jié)果進行分析，給出了合理有效的結(jié)構(gòu)加強建議，給大型汽車滾裝船的設(shè)計開發(fā)提供參考。