某郵輪設(shè)計(jì)中電梯井結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算分析

鐘守道，吳熙，費(fèi)鐘成，張少雄

(1.重慶長江輪船有限公司 船舶設(shè)計(jì)研究院，重慶 400026；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063)

郵輪是指以休閑娛樂為主，以旅游目的地為航行目標(biāo)，配備了餐廳、電影院、酒吧、商場(chǎng)、游泳池、觀景臺(tái)及各種娛樂設(shè)施的水上旅游客船[1]。郵輪的上層建筑(以下簡稱“上建”)甲板層數(shù)較多，各層甲板幾乎與主甲板等長、等寬且?guī)缀醵紴檫B續(xù)甲板[2]。上建甲板參與船體總縱強(qiáng)度的作用較大，但上建中的電梯井、電纜井、管道井、樓梯及中廳等設(shè)施的布置會(huì)破壞甲板的縱向連續(xù)性，引起較大應(yīng)力集中，帶來局部安全強(qiáng)度隱患的同時(shí)，使得上建甲板在電梯井等結(jié)構(gòu)附近的彎曲變形不一致[3-4]。

某郵輪在設(shè)計(jì)過程中，因總布置需要，上建中幾個(gè)主要的電梯井結(jié)構(gòu)均沿船寬方向并列布置，造成甲板沿船寬方向產(chǎn)生較大的開口，寬度約為1/4倍型寬。該電梯井布置方式嚴(yán)重破壞了甲板的縱向連續(xù)性，降低了應(yīng)力傳遞的有效性。因此，對(duì)目標(biāo)船進(jìn)行全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算，分析上建中橫向布置的電梯井圍壁的受力狀況。基于得到的應(yīng)力結(jié)果，提出3種方案對(duì)電梯井局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，再次對(duì)目標(biāo)船及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接計(jì)算，比較分析計(jì)算結(jié)果，考慮實(shí)際工藝的可操作性，選擇合理的加強(qiáng)方案。

1 目標(biāo)船及其電梯井結(jié)構(gòu)簡介

目標(biāo)船為1艘全鋼質(zhì)、單體、雙艉、多甲板內(nèi)河豪華旅游客船，主尺度為船長149.99 m、型寬21.80 m、型深4.60 m，設(shè)計(jì)吃水2.80 m，肋距500 mm，上建設(shè)6層甲板，最上層甲板距船底的距離為19.90 m，客船A、B、C級(jí)航區(qū)J2級(jí)航段。

上建設(shè)有3組電梯井，均沿船寬方向布置，各組電梯井圍壁板厚為6 mm，圍壁扶強(qiáng)材為L63×40×5的角鋼。1號(hào)電梯井組包括3臺(tái)電梯及緊靠電梯井布置的電纜井和管道井，甲板開口寬度為6.0 m，2、3號(hào)電梯井組均由2臺(tái)電梯組成，甲板開口寬度均為5.0 m。電梯井布置見圖1。

2 數(shù)值計(jì)算與分析

2.1 計(jì)算模型

采用有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran對(duì)目標(biāo)船建立全船有限元模型，按照船體結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸建模，考慮型線、門窗開孔、肘板等構(gòu)造細(xì)節(jié)。模型主要采用板(shell)單元和梁(beam)單元，其中板材主要采用四邊形板單元，構(gòu)件連接和圓弧過渡處采用少量三角形單元，網(wǎng)格尺寸按照1/2縱骨間距或1/2肋距劃分。模型中采用MPC(多點(diǎn)約束)模擬目標(biāo)船部分“大宗”設(shè)備的質(zhì)量與局部剛度，靜力計(jì)算時(shí)在各MPC獨(dú)立點(diǎn)上施加相應(yīng)設(shè)備的重量載荷。模型坐標(biāo)系取右手坐標(biāo)系：原點(diǎn)位于Fr0船底基線處，X軸向船首為正；Y軸向左舷為正；Z軸垂直向上為正。全船模型見圖2。

圖2 全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算模型

2.2 載荷與計(jì)算工況

根據(jù)目標(biāo)船的《穩(wěn)性計(jì)算書》，選定滿載出港、空載到港兩種典型的工作載況，考慮迎浪中拱、迎浪中垂和靜水3種不同的波浪條件，共計(jì)6種計(jì)算工況(見表1)，計(jì)算載荷主要包括空船重量、貨物重量和舷外水壓力，根據(jù)文獻(xiàn)[5]的方法進(jìn)行全船浮態(tài)調(diào)整，根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》[6]施加虛支座邊界條件。

表1 計(jì)算工況

2.3 全船直接計(jì)算與受力分析

對(duì)目標(biāo)船進(jìn)行全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算，得到各工況下全船結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值。其中，各組電梯井圍壁結(jié)構(gòu)板單元形心中面相當(dāng)(von Mises)應(yīng)力峰值結(jié)果見表2。

表2 各組電梯井結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值

由表2可知，在LC2_hog工況下，各組電梯井結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值為各工況下最大值，該工況下，各組電梯井結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值所在區(qū)域的應(yīng)力云圖見圖3。

圖3 電梯井峰值區(qū)域應(yīng)力云圖

由圖3可知，各組電梯井結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)均在上建甲板附近的電梯井縱圍壁根部，1、3號(hào)電梯井組的應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在靠近開口中間的縱圍壁上，周圍單元應(yīng)力值迅速減小，該現(xiàn)象在靠近甲板開口兩側(cè)的電梯井縱壁上表現(xiàn)較不明顯，2號(hào)電梯井組的應(yīng)力峰值同樣出現(xiàn)在電梯井中縱壁與甲板接觸的位置，最靠近左舷的電梯井縱壁應(yīng)力也較大，但最靠近右舷的縱壁應(yīng)力分布與兩外兩組電梯井類似位置處的應(yīng)力分布相似。

為進(jìn)一步分析電梯井縱圍壁高應(yīng)力區(qū)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，以圖3中3號(hào)電梯井組的電梯井圍壁結(jié)構(gòu)為分析對(duì)象，LC2_hog工況為分析工況，甲板附近電梯井縱壁根部板單元各應(yīng)力分量，縱壁上板單元的X軸方向正應(yīng)力峰值為202.82 MPa，Z軸方向正應(yīng)力峰值為66.48 MPa，ZX平面內(nèi)剪應(yīng)力峰值為60.96 MPa，其余應(yīng)力分量均小于10 MPa。由此可知，應(yīng)力集中區(qū)域的板單元主要承受較大的沿船長方向的正應(yīng)力，并且受到較小的垂向正應(yīng)力以及沿ZX平面內(nèi)的剪應(yīng)力，3號(hào)電梯井組X軸方向應(yīng)力分量云圖見圖4。

圖4 X軸方向應(yīng)力分量云圖

綜上所述，目標(biāo)船上建電梯井圍壁與甲板相交處存在應(yīng)力集中，高應(yīng)力區(qū)主要在甲板附近的電梯井縱壁根部，應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在開口中縱壁或靠近開口中間的縱向圍壁上，出現(xiàn)應(yīng)力集中的主要原因是電梯井縱壁根部承受了較大的縱向拉應(yīng)力。

2.4 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)與對(duì)比分析

針對(duì)上建甲板附近電梯井縱壁根部出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，分別采用3種方法對(duì)電梯井結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，其中：方案A是將上建甲板上下各500 mm范圍內(nèi)的電梯井圍壁板厚由6 mm加厚到8 mm；方案B是沿甲板開口邊線，在電梯井圍壁內(nèi)設(shè)置一圈由規(guī)格為2×L63×40×5的雙拼角鋼構(gòu)成的槽鋼，角鋼尺寸與電梯井圍壁扶強(qiáng)材一致；方案C是同時(shí)按照前兩個(gè)方案進(jìn)行加強(qiáng)。電梯井結(jié)構(gòu)加強(qiáng)示意見圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)示意

為比較3種加強(qiáng)方案的效果，需以加強(qiáng)前結(jié)構(gòu)應(yīng)力作為參考，故計(jì)算工況僅考慮LC2_hog工況，分析對(duì)象取圖3中各組電梯井模型范圍內(nèi)的板單元，按照各方案加強(qiáng)后計(jì)算得到的板單元形心中面相當(dāng)應(yīng)力結(jié)果見表3。

表3 加強(qiáng)后應(yīng)力峰值

根據(jù)表3可知，方案A和方案B的各組電梯井結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值相差均在4 MPa以內(nèi)，2個(gè)方案的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)效果相差不大，需從其他方面進(jìn)行比較。因2個(gè)方案僅對(duì)電梯井結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行加強(qiáng)，加強(qiáng)范圍都不大，故不比較鋼料消耗，僅從工藝角度進(jìn)行比較，增設(shè)槽鋼需對(duì)角鋼進(jìn)行焊接加工后，施工人員從電梯井內(nèi)部焊接，焊縫靠近甲板與電梯井連接處的焊縫，相較而言，增加板厚的焊接工作量更小，且焊縫分開，增加板厚比增設(shè)雙拼角鋼更好。方案C的加強(qiáng)效果最好，由此可知,增加板厚和增設(shè)“圈型”槽鋼的加強(qiáng)效果可以疊加。因此，對(duì)于目標(biāo)船電梯井結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)，一般采用增加板厚的方法，對(duì)于應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重的區(qū)域，如不能再增加板厚，則可在此基礎(chǔ)上增設(shè)一圈由雙拼角鋼構(gòu)成的槽鋼。

3 結(jié)論

1)全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算的結(jié)果顯示，目標(biāo)船的上建電梯井圍壁與甲板接觸區(qū)域容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，高應(yīng)力區(qū)集中在甲板附近電梯井縱壁根部，且開口兩側(cè)的電梯井縱壁單側(cè)與甲板相連，應(yīng)力集中現(xiàn)象相對(duì)不明顯，靠近開口中間的電梯井縱壁兩側(cè)均無甲板，應(yīng)力集中現(xiàn)象相對(duì)嚴(yán)重，電梯井的應(yīng)力峰值也出現(xiàn)在此類縱壁的根部，對(duì)電梯井結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)時(shí)，此類位置為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。

2)電梯井圍壁結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)的各應(yīng)力分量結(jié)果表明，應(yīng)力集中現(xiàn)象主要由較大的縱向拉應(yīng)力引起的，存在垂向應(yīng)力和ZX面內(nèi)的剪應(yīng)力，需從減小縱壁根部板單元受到的縱向應(yīng)力分量來進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

3)根據(jù)不同方案加強(qiáng)后計(jì)算的結(jié)果可知，增加甲板范圍內(nèi)圍壁的板厚和圍繞甲板開口在圍壁上增設(shè)一圈由雙拼角鋼構(gòu)成的槽鋼，這兩種加強(qiáng)方式的效果差不多，從工藝角度考慮，增加板厚的實(shí)施起來更加簡單，增加板厚和增設(shè)“圈型”槽鋼的加強(qiáng)效果可以疊加，對(duì)于已經(jīng)通過增加板厚的方式進(jìn)行加強(qiáng)的電梯井圍壁結(jié)構(gòu)，如仍有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力很高，可采用增設(shè) “圈型”槽鋼的方式進(jìn)一步加強(qiáng)。