大型船舶折疊式艙口蓋結構優化設計

祁 鵬

（江蘇潤邦重工股份有限公司，江蘇 南通 226000）

隨著我國船舶生產技術的發展，折疊式艙口蓋成為大型船舶重要的組織部分。其主要是由若干塊床蓋板組織，通過翻轉和折疊進行啟閉的機械艙口蓋。其工作原理主要是利用鉸鏈將蓋板進行相連，通過鉸鏈軸實現旋轉。折疊艙口蓋一般收藏于艙口端，由于折疊式艙口蓋具有操作簡單、不易損壞的優勢，尤其是橫接縫不需要設置壓緊器，因此其在大型貨物船舶中具有廣泛的應用價值。然而隨著我國大型船舶負載的不斷增加以及運輸貨物質量要求不斷提升，依賴于傳統經驗公式設計的艙口蓋難以滿足現實工作要求，因此本文結合多年工作經驗，提出優化折疊式艙口蓋的具體方案。

1 優化設計

大型船舶折疊式艙口蓋多見于散貨船，其主要是發揮密封、保護貨物的作用。由于折疊式艙口蓋工作主要是靠鉸鏈、滾輪以及限位裝置等元器件，其要求質量比較高。筆者通過多年實踐調查發現，折疊式艙口蓋在具體的實踐應用中存在使用壽命短、難以滿足風雨負載、容易出現腐蝕等問題，影響貨物的安全運行。所以優化折疊式艙口蓋結構成為大型船舶艙口蓋生產企業所必須要解決的問題。結合實踐調查影響艙口蓋性能的因素主要包括船體體積、載貨重量等因素，因此在艙口蓋優化設計時必須要遵循以下原則：一是安全性。艙口蓋設計必須要保證艙口蓋的安全，其不僅要滿足適應不同環境的要求，而且還必須要保證絕對的密封性。二是結構強度高。艙口蓋的強度要求比較高，需要經過嚴格的設計論證。基于大型船舶實際操作要求，折疊式艙口蓋需要具備結構強度高、艙口蓋重量輕、操作簡單、性能問題的要求。針對上述要求，在有限元模型計算結果的基礎上，提高具體的改進方案，以此提高折疊式艙口蓋的強度。具體的設計步驟為：首先利用有限元模型計算出艙口蓋負荷應力分布情況及造成的形態變化，找出艙口蓋的缺陷；其次根據計算結果分析導致折疊式艙口蓋強度不高的原因，并且對原始結構進行改造核算；最后參照艙口蓋優化后的有限元計算結果判斷優化后的方案是否滿足了設計目標[1]。下面主要從結構和約束兩個方面對大型船舶折疊式艙口蓋結構進行優化設計。

1.1 有限元優化模型

本文選擇的大型船舶的噸位比較大，基于海上貨物運輸的要求，設置2個艙口。折疊式船艙口則是由若干個床蓋板組成，然后在塊間用鉸鏈或者其他器具相連接。艙口蓋由10塊蓋板組成，由CCSA鋼鑄造而成。具體的設計標準規格為，彈性模型E=2.06×1011N/m2，泊松比μ=0.30。結合相關的設計規格要求對其進行建模設計并且進行計算，艙口蓋有限元模型如圖1所示。模型X軸表示船長、Y軸表示船寬、Z軸向上為正方向建立坐標系[2]。

圖1 艙口蓋有限元模型

1）目標函數。確定目標函數就是為了達到預定目的，結合船舶艙口蓋的實際運行要求，優化艙口蓋最終目的就是提高其強度，因此在設置目標函數時必須要以圍繞與船艙口蓋強度有關的圍板厚度、艙口蓋頂板、強橫梁、橫梁的最小剖面模數作為函數變量[3]。其函數目標為：

式中：N為變量數量；M為變量單元數量；g為鋼材重量；e1為梁元和殼元厚度；e2為腐蝕余量；lw為兩元的長度或寬度。

2）約束函數。約束函數是解決問題的最佳符合條件，結合上述建模的目標要求，根據艙口蓋的基本結構及受力區域，需要確定艙口蓋的應力區域。針對區域內的受力情況，計算出區域受力的大小，以此準確的計算出結果，并且根據結果對艙口蓋的結構尺寸進行調整優化[4]。通過總結分析，約束函數如下：

式中：δ為等效應力；Γ為剪切應力及許用應力；σ為彎曲應力。

1.2 有限模型的邊界條件

通過綜合計算，有限模型邊界條件如表1所示：

表1 邊界條件

1.3 負載計算

根據多年工作經驗，由于折疊式艙口蓋在工作過程中不僅要承受貨物負荷的影響，而且還需要承受風雨沖擊的影響，因此為了便于提出最優化的設計方案，本文主要考慮風雨載荷工況和集裝箱載荷的影響[5]。風雨載荷主要是以均勻的方式給艙口蓋施加載荷作用，集裝箱對于艙口蓋的載荷影響則是以其重量和集裝箱的分布為主的。結合相關文獻資料，在計算艙口蓋時只需要參考BV規范要求就可以。

2 折疊式艙口蓋結構優化實驗分析

通過上述說明，該貨船主要是以散貨運輸為主，船舶的吃水達到6m、船舶兩柱間長為109m；型寬17m；型深8m。一共有3個貨艙，每個貨艙設置4塊調離式艙蓋[6]。通過上述研究發現，在風雨載荷和集裝箱載荷兩種工況下，有限元計算結果如表2所示。通過有限模型計算結果顯示，該船舶的折疊艙蓋存在強度不足的問題，因此優化主要目的就是要通過優化結構等措施提高艙口蓋的強度，以此適應船舶運輸要求。

表2 兩種載荷有限元計算結果

針對表2數據，本次進行以下優化設置：艙口蓋橫梁由4條調整到6條，支撐塊由5塊調整到6塊[7]。具體分布如圖2所示。

3 試驗測試結果

圖2 艙口蓋優化后的支撐塊和限位塊分布情況

通過對改進后的折疊式船艙口的結構強度進行計算得出以下結論：1）提高了折疊式船艙口蓋的強度。通過計算，優化后的艙口蓋的應力值相比之前提高了14MPa，有效地遏制復雜環境對艙口蓋的影響，適應了散貨運輸的要求。2）提高了船舶艙口蓋的承載能力。艙口蓋具有一定的承載力，根據計算艙口蓋的載荷承載力達到120kN/m2時就達到極限。但是優化后，艙口蓋的承載力提高到了160kN/m2，滿足了設計要求。3）降低了生產成本，提高了艙口蓋生產企業的經濟效益。通過計算優化后的艙口蓋不僅有效提高了承載力，而且還進一步降低了艙口蓋的生產成本，大大提高了制造企業的生產效益。按照每噸制造成本1萬元的標準進行計算，通過優化方案后，艙口蓋的制造成本可以降低30萬元[8]，這樣可以為企業節省大量的資金。

當然為了保證艙口蓋優化設計的質量還必須要做好以下保障工作：1）要加強人員教育培訓，提高艙口蓋作業人員的安全意識。實踐證明加強作業現場安全管理至關重要，如果發生安全事故不僅會影響作業人員的生命安全，而且還會給企業造成巨大損失。因此企業要加強對作業人員的教育培訓，提高他們的質量控制意識，規范其作業行為，保證各項作業工序按照預定的流程操作。2）加強原材料質量控制。艙口蓋結構優化設計必須要從原材料質量控制上入手，例如要強化對艙口蓋鋼板的質量控制，保證其性能符合要求。同時做好涂料的質量控制，杜絕采用質量不合格的產品，以此影響艙口蓋的防腐性能。3）優化艙口蓋的生產工藝。經過科學計算在艙口蓋制造過程中必須要嚴格按照制造工藝進行操作，充分利用大數據技術提升制造工藝。

總之，基于折疊式艙口蓋所存在的不足，利用有限元優化模型可以更為直接準確地計算艙口蓋結構的應力狀況，優化后的艙口蓋性能符合實際運行需要。