集裝箱船典型艙口蓋定位銷支撐結構強度分析簡化方法

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(中國船舶及海洋工程設計研究院， 上海 200011)

集裝箱船在航行的過程中，由于船體的橫搖及縱搖運動，艙口蓋會有相對于主船體的滑動，定位銷的作用就是抑制這種相對運動。他們之間的相互作用可以簡化為以下過程：艙口蓋上所系固的貨物和艙口蓋由于船舶運動產生的橫向力和縱向力，通過定位銷把載荷傳遞到艙口圍結構及定位銷支撐結構上，設計過程中需要根據載荷大小合理設計支撐結構形式和尺寸[1]。目前規范中還沒有關于定位銷支撐結構板厚的計算公式，隨著集裝箱船尺度[2]與甲板上集裝箱堆重[3]的逐漸增大，傳遞到定位銷上的載荷也在增大，對于20 000 TEU級的集裝箱船，定位銷所承受的載荷可以達到500 kN左右。目前在設計過程中，往往只能根據定位銷載荷參照母型船進行支撐結構設計，利用有限元分析計算來校核構件尺寸。由于定位銷附件艙口蓋墊塊及綁扎橋立柱的加強較多，建立細網格模型費時費力。為此，考慮通過有限元分析的方法，對現有定位銷支撐結構進行分析，歸納出支撐結構板厚、最大應力及載荷之間的經驗公式，并通過實船數據對公式進行驗證。根據計算結果提出新型的支撐結構形式，總結出該支撐形式的經驗公式，為今后的定位銷支撐結構設計提供依據。

1 典型定位銷支撐結構形式

集裝箱船典型定位銷支撐結構見圖1，主要包括艙口圍頂板的嵌入厚板ttop(頂板)，橫艙壁的嵌入厚板ty(橫向板)和沿船長方向的縱向板tx。設計中這3個板厚往往取值相同。

圖1 集裝箱船典型定位銷支撐結構示意

2 定位銷的載荷

根據《鋼質海船入級規范 第二分冊》第2.20.2.9小節中的第(2)點[4]，定位銷上2個方向(y為橫向，x為縱向)的力的取值分別為

Fx=0.2mgFy=0.5mg

式中：m為艙口蓋上所系固貨物的質量和艙口蓋的質量總和；g為重力加速度。

實際上艙蓋非定位銷的一端設有橫向限位裝置，承受一半的橫向載荷。因此，作用在定位銷上的力實際取為Fx=0.2mg,Fy=0.25mg。于是，Fy與Fx的比值為1.25。

關于后續計算中載荷的選取，依據某超大型集裝箱船上的定位銷結構，選為

Fx=3 200 kN，Fy=4 000 kN。

從圖1可以發現，定位銷高于艙口圍板的部分可以大概分為上半部的圓臺和下半部的圓柱部分，圓臺的主要作用是在艙口蓋裝載時起導向作用，在航行過程中，與艙口蓋結構并無接觸。而下半部分的圓柱在艙口蓋運動時起限位作用，承受主要的載荷，考慮到定位銷本身的剛度極大以及高度很小，加載方式可以近似為集中力的形式，施加的位置在定位銷圓柱部分的一半高度處。

3 板厚與最大應力及載荷間的關系

板厚t和最大應力σ關系為[5]

tn·σ=C

(1)

式中：n為需要根據計算數據歸納出的常數；C為與結構本身以及載荷相關的常數。

考慮結構與載荷的線性關系，在某一固定板厚下最大應力值應該與外力成正比，即

σ=αFx+βFy=K0Fy

(2)

由此，將式(1)變化為

tn·σ=KFy

(3)

式中：K為只與結構本身屬性相關的常數，K=K0tn。

4 典型定位銷支撐結構計算分析

有限元模型中，定位銷使用體單元模擬，艙口圍結構使用板單元模擬，見圖2。

體單元和板單元的連接的處理方式是在連接處的體單元內建立重復的板單元，根據以往的計算經驗，由于定位銷的剛度很大，重復的板單元對定位銷與艙口圍結構間的應力傳導影響很小。

按照典型結構設計方案，艙口圍頂板、橫向板和縱向板分別取12、23、35 mm 3個不同板厚進行計算，計算結果表明：

1)頂板和橫向板的應力峰值水平接近，差距約為10%；

2)縱向板應力峰值僅為頂板的30%～50%，且應力集中現象相當嚴重，只有與定位銷連接的周圍5個單元有較大應力，其他部分應力很小。

由此認為，在以往的設計中，將縱向板厚度的取值與其他2板相同會導致材料的大量浪費?？紤]到頂板和橫向板的應力峰值差距僅為10%，可以將這2塊板的厚度保持一致。

將橫向板和頂板厚度分別取12、 23、35 mm，對這3種厚度分別讓縱向板厚度從12到35 mm變化，計算結果見圖3。

圖3 合成應力計算結果

根據上述計算結果得到如下結論。

1)橫向板和頂板厚度越大，縱向板厚度的變化對他們的應力峰值影響越小?？疾鞕M向板和頂板厚度最小的情況(12 mm)，隨著縱向板厚度的增大，應力峰值僅僅減小了4.5%。而隨著橫向板和頂板厚度的增大，上述變化幅度將更小。因此認為，縱向板厚度的變化對其他2板應力峰值并無影響。

2)橫向板和頂板是主要受力結構，決定著結構中應力的分布。

任取1個縱向板厚度，針對不同的橫向板和頂板厚度進行有限元計算，最后歸納板厚與應力關系的經驗公式。采取偏于保守的做法，取縱向板厚度為12 mm，這時橫向板和頂板中應力峰值最大，然而至多只比最小值大4.5%。橫向板和頂板的取值范圍為12～35 mm，計算結果見表1。

表1 定位銷典型支撐結構板厚經驗公式常數歸納

(4)

在使用式(4)時，需要首先得知定位銷的載荷，然后確定σtop，在有限元分析中使用的是50 mm×50 mm的網格。由于目前并沒有統一的集裝箱船有限元分析的規范，因此，在實船設計過程中可以參考共同規范HCSR中關于局部結構細網格分析的相關要求[6]，σtop最大可以取為1.5Reh(Reh為材料的屈服強度)。

為了驗證經驗公式的適用性，選擇4型實船A、B、C、D結構進行驗算，其定位銷支撐結構通過有限元計算，均可以滿足規范的要求，計算對比見圖4。

圖4 板厚經驗公式驗證

由圖4可見，通過經驗公式得到的板厚接近實船設計的板厚，差值小于5%，滿足工程應用要求。

5 結構優化形式及板厚經驗公式

典型定位銷支撐結構中縱向板應力較小，且應力集中現象較為明顯，因此，對典型的支撐結構進行優化，將原先位于橫艙壁間縱向板的尺寸大幅減小，直接采用肘板形式而不再向相鄰艙壁延伸，見圖5。

圖5 優化后的縱向板結構示意

針對以上優化設計方案重復與經典結構相同的有限元計算分析過程，得到優化結構頂板板厚的經驗公式

(4)

由于縱向板面積大幅減小，根據經驗公式頂板和橫向板的板厚略有增加，達到7%，但相較縱向板減小的重量與頂板和橫向板增加的重量，優化結構仍可以起到減重的作用。