基于有限元方法的滾裝船片體分段疊層放置方案設計

周立師,周征兵,郭信強,謝勇,項占一,周一帆,楊卓懿

(1.招商局金陵船舶(威海)有限公司,山東 威海 264200;2.山東交通學院 船舶與港口工程學院,山東 威海 264200)

滾裝船設計,為了滿足車輛通行及停放的需求船艙區域內往往不設置橫艙壁,為了裝載更多的小汽車提高運輸率,會設計多層甲板[1-3](包括固定甲板和活動甲板),且甲板片體分段的數量較多,尺寸較大。如果每個片體分段都獨立放置于分段場地,所需場地很大。根據分段建造周期、分段放置情況無法滿足場內片體分段的放置任務。為了減輕分段場地分段放置壓力,甲板片體分段舾裝完成之后將片體分段使用支墩將其疊層放置于分段場地,并采用片體堆疊形式進行打砂及噴漆作業,從而提升砂房效率,節約建造過程中的場地資源。

滾裝船基本不裝載人員或貨物,汽車甲板上所承受的載荷小[4],因此滾裝船的甲板多為高強度的輕薄型板[5]。薄板片體在建造以及下料、焊接、放置和轉運等工序中都有可能由于板材受力不均勻引起片體結構變形[6-7],因此在片體結構疊層放置時除了需要滿足強度要求外要充分考慮將變形量控制在允許范圍之內[8]。為確保片體分段疊層放置方案設計合理,避免放置和涂裝作業過程造成片體分段結構破壞和安全問題,利用有限元方法對放置和涂裝作業過程中的片體分段結構進行分析預報,評估疊層放置方案的可操作性、安全性和經濟性等,提出合理的控制片體結構變形措施。

1 片體結構放置方案

1.1 滾裝船片體分段結構情況

滾裝船片體分段共有315個,共計12層甲板,分為固定甲板分段和活動甲板分段,薄板片體分段主要分布在上層建筑區域,厚板分段多分布在固定甲板區域,見表1～2。

表1 滾裝船片體分段固定甲板列表

表2 滾裝船片體分段活動甲板列表

滾裝船所有片體分段均為縱骨架式,縱骨間距為750 mm,橫梁間距為3 200 mm,每個片體分段一般都有4道橫梁結構,片體長度為10～20 m不等,結構簡圖見圖1。

圖1 滾裝船片體分段結構示意

1.2 疊層放置方案

甲板平面分段舾裝完成之后將片體分段使用支墩和分段托架將其疊層放置于分段場地,片體分段與馬凳和支墩接觸處放置墊木以避免結構發生剛性破壞。考慮到現場作業環境、馬腿和支墩自身的安全負荷及片體大小等因素的限制,對片體分段疊層放置設有如下要求。

1)片體分段疊層放置的層數不超過三層,且三層片體分段加支墩總重量不得大于馬腿的安全負荷130 t。

2)對于不同長度片體分段,采用對應長度的龍門托架作為支撐,對于長度超過11 m的片體分段,采用加長設計的龍門托架作為支撐。

3)需考慮支墩與托架對片體支撐是否為均勻受力,防止片體分段因受力不均而發生變形,還需考慮上層結構尺寸盡量與下層片體分段結構尺寸相近。

4)若板厚一致則片體分段面積大、重量大的放置于最下層,中層與最上層次之。

片體分段疊層布置方案示意于圖2。

圖2 布置方案示意

2 有限元模型

優先選用四邊形單元,局部結構輔以三角形單元;模型有限元的網絡單元尺寸為150 m×150 mm,對于托架、支墩和片體結構接觸及容易發生應力集中的區域進行網格的細化,見圖3。

圖3 結構疊層放置有限元模型

分析片體結構疊層放置的載荷條件時,主要考慮兩方面的載荷:①分段片體結構和支墩結構的自重載荷;②噴砂除銹時的作業載荷(包括人員載荷和鋪砂載荷),見圖4。

圖4 載荷施加示意

邊界條件。根據結構的受力工況確定結構有限元計算的邊界條件,即單元節點的6自由度運動約束。在分段片體疊層放置結構強度分析中,在龍門托架底部設置位移約束條件。出于模擬結果較為安全的考慮,位移的約束條件設為鉸支,即在X、Y、Z三方向位移固定,Rx、Ry、Rz三方向轉角自由。

3 計算結果及方案設計

3.1 結構的校核準則

1)應力校核準則。板單元的應力校核標準為

σeq≤σs/N

(1)

其中:σx為單元x方向的應力,N/mm2;σy為單元y方向的應力,N/mm2;τxy為單元xy平面的剪應力,N/mm2。

滾裝船片體結構用材為AH36鋼,屈服強度為355 MPa,取1.5倍的安全系數,其校核標準為

σeq≤σs/N,即σeq=236.6 MPa。

2)變形校核準則。結構變形量為

(2)

根據鋼結構設計標準中受彎構件的撓度容許值,平臺板撓度容許值為L/150,L為受彎構件的跨度(對懸臂梁和伸臂梁為懸臂長度的2倍)。

3.2 計算結果分析

對疊層放置滾裝船分段片體結構整體進行不同作業工況有限元計算。選取在頂層片體涂裝作業工況,片體結構的應力和變形見圖5、6。

圖5 厚板片體結構應力與變形分布

由圖5可見,厚板片體結構的最大應力值為48.3 MPa,小于其許用應力236.6 MPa滿足疊層放置和作業的結構強度要求;結構最大變形值為4.2 mm,遠小于允許值42.6 mm。可見這種疊層放置方案對厚板片體分段滿足現場作業要求。

由圖6可見:薄板片體片體結構的最大應力值為180.0 MPa,小于其許用應力236.6 MPa,滿足疊層放置和作業的結構強度要求;分段片體結構的最大變形值為186.3 mm,遠遠大于其允許產生變形的許用值64.0 mm?？梢娺@種疊層放置方案在涂裝作業時雖然能滿足規范對強度的要求,但會使薄板片體產生較大的變形。

圖6 薄板片體結構應力與變形分布

若是薄板片體變形不可恢復,則會對甲板片體的后續工序產生影響,嚴重的變形會導致薄板片體的返工修復,甚至需要換新板。因此,有必要對薄板片體分段疊層放置方案進行以控制變形為目的支撐加強方案設計。

3.3 支撐加強方案設計

為了減小片體分段薄板的變形最簡單的支撐加強方案就是直接在片體結構強結構處和外懸較大的端部增設支墩,由原來的4個支墩支撐變為8個支墩支撐。經有限元計算驗證也是滿足變形量控制要求的,但廠內現有支墩無法滿足翻倍數量的需求,重新制作新的支墩勢必會造成鋼材和人工成本增加。考慮到上述因素及工期的影響,采用易于加工且庫存余料充足的圓鋼管來支撐片體結構,方案布置見圖7。

圖7 加強后的布置方案

對加強后的薄板片體疊層放置方案進行有限元模擬計算,仍是以頂層片體涂裝作業時的工況為例來對計算結果進行分析。多次有限元模擬驗證計算表明,若要達到變形控制的要求,用于支撐加強的圓鋼管的規格不可小于直徑×壁厚為121 mm×7 mm,支撐加強后片體結構的應力和變形結果見圖8。

圖8 加強后薄板片體結構應力和位移分布

由圖8可見,片體結構最大應力值遠遠小于其許用應力值,滿足其結構強度要求;分段片體結構的最大變形值為26.2 mm,也小于其允許產生變形的許用值33.0 mm,滿足變形控制的要求。可見采用增設圓鋼管支撐是滿足疊層放置方案強度、變形和安全需求的。

4 結論

大型滾裝船甲板片體分段的數量較多且尺寸較大,采用片體疊層放置方案既能解決分段場地限制的問題,又可為后續涂裝作業的有序進行創造便利條件,同時也為建造周期節約時間。薄板片體分段疊層放置時采用圓鋼管對片體分段支撐結構進行加強,圓鋼管支撐結構易于加工且庫存多,既滿足了變形控制的要求,又可清除庫存,有效節約成本。為保證現場片體分段疊層放置安全,防止變形,設有專題小組做現場操作前的部署準備工作,并制定片體安全放置操作規程。

滾裝船分段片體的存放和砂房涂裝作業是滾裝船建造的重要環節之一。在片體分段疊層放置方案設計階段對方案進行有限元仿真模擬計算,對保證作業安全性,提高方案的可行性和合理性等均具有重要意義。