3 600車位滾裝船綁扎件節點加強工藝優化研究

張展飛，吳海旺

(江南造船集團有限責任公司，上海 201913)

0 引言

2004到2011年我國汽車外貿出口年均增速為45%[1]，但是遠洋汽車滾裝船運輸長期以來大都由日本、韓國和歐洲等國承運，因而我國汽車出口的成本較高，市場競爭力不足。目前，開發、建造滾裝船已被國家列為了重點研究項目。

滾裝船的車輛甲板綁扎加強節點的設計及布置對生產制造的進度和質量把控影響很大。田帥[1]研究發現，對于不同船型合理選擇其綁扎件安裝階段與工藝更有利于提高現場裝配、燒焊的效率與質量，從管理角度提出整改安裝階段及加強KSC來圖檢測的方式。黃慧等[3]通過實船調研及資料分析，確定了焊接殘余應力是引起船體裂縫的關鍵因素，印證了效用試驗的必要性。

以往的研究是從管理角度對安裝時的定位精度進行優化。通過改變安裝階段，在定位開孔周邊獲取更多可參照結構，但這樣的方式在現場作業時可能會受到作業空間等方面的影響，從而影響精度。因此本文通過在切割階段制作宏孔的方式將節點加入切割指令，使得綁扎碗在安裝階段無需保證甲板下方綁扎加強與加強開孔完全對位，即可通過開孔兩端半徑(R)孔進行調整，最終依據船級社規范所定的結構計算和效用試驗，證明該方案的可行性。

1 汽車綁扎對于汽車滾裝船的重要性

汽車綁扎對于汽車滾裝船的重要性主要體現在以下2個方面：

(1)安全性角度。汽車綁扎件關乎到滾裝船的安全性，在綁扎件設計階段就要對船舶擬裝貨物移動風險進行評估。根據滾裝貨物的尺寸、物理特性、位置和積載、航次氣候和海況特點等，建立數學模型，模擬船舶主要工況，分析綁扎系統的強度和穩定性，從而提高設計精準度。

(2)作業效率角度。以某3 600車汽車滾裝船為例，在船體結構建造過程中，整船零件有11萬多個，而綁扎碗的數量已達到21 000個，其中重型綁扎件達到3 600個，可見其數量占比非常大。此外，據統計：每個綁扎碗的作業工時約為0.16 h，合計該船的綁扎碗安裝總工時為3 360 h。由此可見，如果能夠提高安裝時的容錯率，降低精度要求，必然可以有效地提高整體的生產效率。

2 節點概述

滾裝船的建造之所以復雜，是因為滾裝船舾裝件種類繁多，安裝、焊接工藝要求高。綁扎件作為固定裝載汽車最重要的舾裝件，其種類主要有綁扎碗、綁扎環、波浪桿、埋入式綁扎件、突出式綁扎件等。本文主要對綁扎碗進行優化設計。綁扎碗大多安裝在具有水密、氣密、防火要求的甲板，在該層甲板以下安裝綁扎碗以滿足該甲板所需要滿足的水密、氣密、防火要求。

為了提高綁扎件安裝的容錯率，降低安裝時精度所帶來的影響，在考慮節點結構強度的情況下，本文通過對各型汽車滾裝船及其他船廠的綁扎件節點研究發現：針對滾裝船綁扎碗加強的節點，大多數船廠采用的是圖1的節點形式。

圖1 典型節點形式(單位：mm)

這種節點采用加強與綁扎完全焊死的方式，有助于后期結構強度計算及拉力試驗，但是在現場裝配焊接時往往難以控制開孔位置及加強定位。部分船廠采用現場修割的方式來減小因定位產生的精度偏差，這種方式不利于提高生產效率，同時會產生焊接間隙較大的問題。

為減少施工困難，在保證強度的前提下對綁扎加強的連接形式進行優化。在建造的汽車滾裝船上采用了圖2(完整形態)和圖3(部分綁扎碗位置貼近艙壁。考慮結構強度后，采取半邊設孔，靠壁半邊不設孔)節點工藝。

圖2 完整形態(單位：mm)

圖3 半邊形態(單位：mm)

在數字化設計建模階段，可以通過制作宏孔的方式將該加強節點加入切割指令，在切割階段將其切割。這種方式既保證了節點美觀性，又提升了設計效率，同時在綁扎碗安裝階段無需保證甲板下方綁扎加強與加強開孔完全對位。通過開孔兩端R孔間隙進行調整，存在一定的工程冗余可能，大大增強了現場可操作性。

3 計算驗證

DNV·GL 船級社規范相關章節明確要求最大工作載荷大于15 kN的綁扎設備的焊接質量需要通過結構計算或者效用試驗進行驗證。

鑒于優化后的圖2、圖3節點為船廠首次使用，為保證節點結構強度能有效滿足船級社要求，因此針對相關節點進行了計算分析，計算模型見圖4。計算結果見表1。表中，tp1和tp2為焊縫與加強接觸面強度。

圖4 計算模型

表1 結構計算結果

由上述相關數據分析得出：在焊腳尺寸大于6 mm時，相關綁扎件可以滿足船級社規范要求。同時，為保證現場施工過程可控，對相關節點要求焊腳大于周圍結構。

4 試驗驗證

4.1 試驗流程

根據DNV·GL船級社關于需要對大于15 kN綁扎碗加強進行相應拉力試驗的要求，同時根據建造廠設備情況設計了如下驗證方法：

(1)選取安全工作負荷為1只100 kN的綁扎碗，背面結構按圖5進行加強，并按照相關設備資料要求與船體結構進行焊接。

(2)在綁扎碗上焊接250 kN的試驗用吊馬。根據計算：吊馬與綁扎碗焊接長度應大于120 mm，吊馬腹板厚度應大于20 mm。具體形式見圖6。需要注意的是，范圍應不超過綁扎碗范圍且應避免焊縫重疊。

圖5 綁扎碗

圖6 焊接試驗吊馬

(3)吊馬安裝完成后，在吊馬上穿鋼絲繩，在吊車與吊馬之間安裝拉力計，見圖7。

圖7 安裝拉力計

拉力試驗分為4種工況，分別為：1.2倍安全載荷垂直拉力試驗、1.2倍安全載荷斜45°拉力試驗、2倍安全載荷垂直拉力試驗、2倍安全載荷斜45°拉力試驗。

4.2 試驗結果

4.2.1 垂直試驗

垂直試驗分別用了1.2倍安全載荷和2倍安全載荷進行試驗，見圖7(a)。將拉力垂直逐漸加大到120 kN，保持5～15 min后卸力，船檢人員對反面結構進行檢驗。檢驗通過后，重新將拉力垂直緩慢增大至200 kN，維持5 min后卸力。

4.2.2 45°試驗

45°試驗同樣用了1.2倍安全載荷和2倍安全載荷進行試驗，見圖7(b)。將拉力垂直逐漸加大到240 kN，保持5～15 min后卸力，船檢人員對反面結構進行檢驗。檢驗通過后，重新將拉力垂直緩慢增大至400 kN，維持5 min后卸力。

經過上述試驗，進一步驗證了優化后圖2、圖3節點的可靠性，同時對后續生產建造提供了有效的理論和試驗依據，保證了實船的安全性。

5 結論

針對滾裝船汽車綁扎件在安裝時存在容錯率低、精度要求高、工時消耗高的問題，本文對綁扎件結構進行了研究和優化。在實際應用中，該節點因其較好的工程適用性對滾裝船建造起到了積極的保障作用。本文主要歷經以下幾個過程：

(1)在結構上，打破傳統設計，加入開孔設計。這樣既添加了裝配間隙，大大提高了現場可操縱性，同時又有效縮減了工時，提高了作業效率。

(2)對結構節點進行了計算驗證，結果顯示在焊腳大于6 mm時，相關綁扎件可以滿足船級社規范要求，在理論上達到了船級社結構強度要求。

(3)綁扎碗安裝吊馬后，對其進行了實際效用試驗。在垂直試驗和45°試驗中，同時通過了1.2倍和2倍載荷的拉力測試。試驗后由船檢人員對反面結構進行檢測，最終試驗結果合格。