大型船舶折疊式艙口蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(chǎn)技術(shù)的發(fā)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(zhuǎn)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(xiàn)旋轉(zhuǎn)。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(yōu)勢，尤其是橫接縫不需要設(shè)置壓緊器，因此其在大型貨物船舶中具有廣泛的應(yīng)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(zhì)量要求不斷提升，依賴于傳統(tǒng)經(jīng)驗公式設(shè)計的艙口蓋難以滿足現(xiàn)實工作要求，因此本文結(jié)合多年工作經(jīng)驗，提出優(yōu)化折疊式艙口蓋的具體方案。

1 優(yōu)化設(shè)計

大型船舶折疊式艙口蓋多見于散貨船，其主要是發(fā)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(zhì)量比較高。筆者通過多年實踐調(diào)查發(fā)現(xiàn)，折疊式艙口蓋在具體的實踐應(yīng)用中存在使用壽命短、難以滿足風(fēng)雨負載、容易出現(xiàn)腐蝕等問題，影響貨物的安全運行。所以優(yōu)化折疊式艙口蓋結(jié)構(gòu)成為大型船舶艙口蓋生產(chǎn)企業(yè)所必須要解決的問題。結(jié)合實踐調(diào)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(yōu)化設(shè)計時必須要遵循以下原則：一是安全性。艙口蓋設(shè)計必須要保證艙口蓋的安全，其不僅要滿足適應(yīng)不同環(huán)境的要求，而且還必須要保證絕對的密封性。二是結(jié)構(gòu)強度高。艙口蓋的強度要求比較高，需要經(jīng)過嚴格的設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)果的基礎(chǔ)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(shè)計步驟為：首先利用有限元模型計算出艙口蓋負荷應(yīng)力分布情況及造成的形態(tài)變化，找出艙口蓋的缺陷；其次根據(jù)計算結(jié)果分析導(dǎo)致折疊式艙口蓋強度不高的原因，并且對原始結(jié)構(gòu)進行改造核算；最后參照艙口蓋優(yōu)化后的有限元計算結(jié)果判斷優(yōu)化后的方案是否滿足了設(shè)計目標[1]。下面主要從結(jié)構(gòu)和約束兩個方面對大型船舶折疊式艙口蓋結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

1.1 有限元優(yōu)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?shù)囊?，設(shè)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(shè)計標準規(guī)格為，彈性模型E=2.06×1011N/m2，泊松比μ=0.30。結(jié)合相關(guān)的設(shè)計規(guī)格要求對其進行建模設(shè)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(shù)。確定目標函數(shù)就是為了達到預(yù)定目的，結(jié)合船舶艙口蓋的實際運行要求，優(yōu)化艙口蓋最終目的就是提高其強度，因此在設(shè)置目標函數(shù)時必須要以圍繞與船艙口蓋強度有關(guān)的圍板厚度、艙口蓋頂板、強橫梁、橫梁的最小剖面模數(shù)作為函數(shù)變量[3]。其函數(shù)目標為：

式中：N為變量數(shù)量；M為變量單元數(shù)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?qū)挾取?/p>

2）約束函數(shù)。約束函數(shù)是解決問題的最佳符合條件，結(jié)合上述建模的目標要求，根據(jù)艙口蓋的基本結(jié)構(gòu)及受力區(qū)域，需要確定艙口蓋的應(yīng)力區(qū)域。針對區(qū)域內(nèi)的受力情況，計算出區(qū)域受力的大小，以此準確的計算出結(jié)果，并且根據(jù)結(jié)果對艙口蓋的結(jié)構(gòu)尺寸進行調(diào)整優(yōu)化[4]。通過總結(jié)分析，約束函數(shù)如下：

式中：δ為等效應(yīng)力；Γ為剪切應(yīng)力及許用應(yīng)力；σ為彎曲應(yīng)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(jù)多年工作經(jīng)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(fēng)雨沖擊的影響，因此為了便于提出最優(yōu)化的設(shè)計方案，本文主要考慮風(fēng)雨載荷工況和集裝箱載荷的影響[5]。風(fēng)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(jié)合相關(guān)文獻資料，在計算艙口蓋時只需要參考BV規(guī)范要求就可以。

2 折疊式艙口蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)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(shè)置4塊調(diào)離式艙蓋[6]。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)雨載荷和集裝箱載荷兩種工況下，有限元計算結(jié)果如表2所示。通過有限模型計算結(jié)果顯示，該船舶的折疊艙蓋存在強度不足的問題，因此優(yōu)化主要目的就是要通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)等措施提高艙口蓋的強度，以此適應(yīng)船舶運輸要求。

表2 兩種載荷有限元計算結(jié)果

針對表2數(shù)據(jù)，本次進行以下優(yōu)化設(shè)置：艙口蓋橫梁由4條調(diào)整到6條，支撐塊由5塊調(diào)整到6塊[7]。具體分布如圖2所示。

3 試驗測試結(jié)果

圖2 艙口蓋優(yōu)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(jié)構(gòu)強度進行計算得出以下結(jié)論：1）提高了折疊式船艙口蓋的強度。通過計算，優(yōu)化后的艙口蓋的應(yīng)力值相比之前提高了14MPa，有效地遏制復(fù)雜環(huán)境對艙口蓋的影響，適應(yīng)了散貨運輸?shù)囊蟆?）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(jù)計算艙口蓋的載荷承載力達到120kN/m2時就達到極限。但是優(yōu)化后，艙口蓋的承載力提高到了160kN/m2，滿足了設(shè)計要求。3）降低了生產(chǎn)成本，提高了艙口蓋生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益。通過計算優(yōu)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(chǎn)成本，大大提高了制造企業(yè)的生產(chǎn)效益。按照每噸制造成本1萬元的標準進行計算，通過優(yōu)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(yè)節(jié)省大量的資金。

當(dāng)然為了保證艙口蓋優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量還必須要做好以下保障工作：1）要加強人員教育培訓(xùn)，提高艙口蓋作業(yè)人員的安全意識。實踐證明加強作業(yè)現(xiàn)場安全管理至關(guān)重要，如果發(fā)生安全事故不僅會影響作業(yè)人員的生命安全，而且還會給企業(yè)造成巨大損失。因此企業(yè)要加強對作業(yè)人員的教育培訓(xùn)，提高他們的質(zhì)量控制意識，規(guī)范其作業(yè)行為，保證各項作業(yè)工序按照預(yù)定的流程操作。2）加強原材料質(zhì)量控制。艙口蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計必須要從原材料質(zhì)量控制上入手，例如要強化對艙口蓋鋼板的質(zhì)量控制，保證其性能符合要求。同時做好涂料的質(zhì)量控制，杜絕采用質(zhì)量不合格的產(chǎn)品，以此影響艙口蓋的防腐性能。3）優(yōu)化艙口蓋的生產(chǎn)工藝。經(jīng)過科學(xué)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(shù)據(jù)技術(shù)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(yōu)化模型可以更為直接準確地計算艙口蓋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況，優(yōu)化后的艙口蓋性能符合實際運行需要。