大型客滾船艏門支撐結構強度分析和優化設計

葛珅瑋，朱紅娟，羅廣恩，周文

(1.江蘇航運職業技術學院，江蘇 南通 226010；2.上海海事大學商船學院，上海 201306；3.招商局郵輪制造有限公司，江蘇 南通 226116；4.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

艏門位于客滾船的最前端，球鼻艏之上，對稱開啟，打開艏門后，跳板與碼頭或陸地連接，使車輛可以開上開下，替代了傳統的吊裝裝卸方式，提高了裝卸的效率，[1-2]?？蜐L船艏門與船體結構和坡道裝置間的運動協調關系較為復雜[3]。艏門的形狀受船體線型影響，尺寸也需滿足艏跳板的收放，形狀多為特殊弧形[4]，該弧形與船體外輪廓匹配。船體與艏門結構連接較為復雜，且補強空間十分有限，因此給結構設計帶來了一定的困難?；谝獯罄壣?以下稱Rina)規范，對某大型客滾船與艏門連接的艏部船體結構進行有限元分析，分析船體與艏門連接處結構的強度，并對連接處的局部結構進行優化設計。

1 目標船艏門介紹

某大型客滾船的主尺參數如下。

垂線間長Lpp=218.00 m，型寬B=33.30 m，

型深D=9.50 m，設計吃水T=7.10 m，

設計航速V=20 kn，滿載乘客1 200人。

該船的艏門位于干舷甲板和最大載重線之上、防撞艙壁之前以上。艏門與船體連接有以下幾種方式。

1)緊固裝置。使門保持關閉，防止其繞鉸鏈轉動。

2)支持裝置。將門承受的外載荷或內載荷傳遞給緊固裝置，再從緊固裝置傳遞給船體結構，或將門承受的載荷傳遞給船體結構除緊固裝置以外的一種裝置，如絞鏈、制動器或其他固定裝置。

3)鎖緊裝置。指將緊固裝置鎖緊在關閉位置的一種裝置。

艏門啟閉過程中，啟閉油缸時應考慮風、水流力、自重和慣性力，受力狀況比較復雜。艏門承受的各種復雜載荷最終通過上述3種連接點，傳遞給船體結構。

艏門利用鉸接于門上和船上的水平連桿作水平移動開啟，艏門對稱開啟后，通過機械固定的方法將門固定在開啟位置，見圖1。

圖1 艏門打開狀態

2 艏部結構載荷分析

艏門一般直接從專業的設備廠家采購，因此艏門結構本體一般不做額外校核與優化。但是支撐艏門的船體結構是由船舶建造單位設計，因此需要對此處結構進行強度分析，尤其是船艏與艏門連接的局部結構必須能夠承受艏門在工作中的各種載荷，這是艏門結構強度分析的重點區域。

在對艏部船體結構進行強度分析時，一般采用分步求解的方法[5]，首先須計算艏門本體結構對船體結構產生的作用載荷，然后再將該作用載荷施加在艏部船體結構上，即可分析船體艏部的結構強度，并根據計算結果最終實現優化設計。

2.1 艏門對船體結構的作用力

艏門的設計外壓力pe計算如下[5]。

pe=2.75λCH(0.22+0.15tanα)·

(1)

式中：λ為航區系數，取λ=1；CH為系數，當L≥80 m時，取CH=1；α為計算點的外飄角，α=44°；β為計算點的入射角，β=35°(見圖2)；V為航速，取V=20 kn；L為船長且取值不大于200 m，實際船長為218 m，取L=200 m。

最終可得pe=174.9 kN/m2。

各方向的設計外力計算如下。

(2)

式中，Ax,Ay,Az分別為橫向、縱向、垂向的投影面積，見圖2。

圖2 艏門參數(單位：mm)

由此求得：Fx=9 640.5 kN；Fy=10 754.6 kN；Fz=7 569.7 kN。

在計算作用在有效緊固或支持構件上的反力時，須考慮與門的自重和外載荷同時作用，可以得到各緊固或支撐構件的工作中的最大作用力。艏門單門重51 t?；谟邢拊椒?，利用局部模型可計算出艏門和船體所有連接點X、Y、Z3個方向的支反力。

此外，緊固裝置以及支持裝置的布置必須采用具有冗余度的設計，以應對任何一個緊固裝置或支持裝置發生失效時，剩下的裝置仍然能夠承受艏門的作用力，防止結構破壞。此時工況為極限工況，極限工況下材料斷裂破壞須達到強度極限，依照規范要求，許用應力相比一般工況可提高20%[6]。

綜合以上考慮，基于規范的要求，在局部載荷下，具體載荷工況組合如下。

工況1。艏門關閉，Fx，Fy和Fz作用在2扇門上。

工況2。艏門關閉，0.7Fx和0.7Fz作用在2扇門上，Fy僅作用在左側門上。

工況3。艏門關閉，0.7Fx和0.7Fz作用在2扇門上，Fy僅作用在右側門上。

工況4。艏門打開，各液壓設備支撐載荷。

工況5。艏門關閉，冗余設計，工況1中任意移除一個緊固裝置。

工況6。艏門關閉，冗余設計，工況2中任意移除一個緊固裝置。

工況7。艏門關閉，冗余設計，工況3中任意移除一個緊固裝置。

工況5～工況7是在工況1～工況3基礎上進行冗余設計后的工況，統稱為冗余工況。艏部船體各連接與支撐供21個點，這些點及其周邊位置都需要進行強度校核。

2.2 船體梁載荷對艏門的作用力

一般艏門是在碼頭且較為風平浪靜的情況下使用，因此，可以忽略由波浪引起的局部動壓力、波浪彎矩等載荷。但客滾船艏門在開閉過程中時，艏部船體除了受到局部壓力、車輛載荷、自重等作用外，船體梁還受到靜水彎矩的影響。艏部結構遠離船舯，總縱彎矩影響較小，依照Rina規范，這部分載荷可以忽略。但是對于目標客滾船來說，艏門在開閉過程中，作用范圍較大，縱向達到約20多m，這部分載荷對上述局部載荷可能會存在一定的影響。因此，在規范要求的上述7種工況的基礎下，對艏部模型，在規范要求的載荷基礎上，額外施加相應的靜水彎矩，以分析總縱靜水彎矩對艏門工作時的影響程度。新增的工況分別定義為工況8～14。

3 船體局部結構強度計算

利用Femap軟件建立船體結構艏部的局部模型，將計算所得支反力施加在船體對應的位置。模型范圍縱向選取FR241至最艏端，橫向從右舷外板到左舷外板，垂向從底部甲板至值7甲板。對鉸鏈的支座進行建模。甲板、外板、艙壁、橫梁腹板、縱桁腹板等主要結構采用板單元模擬，縱骨、肋骨、橫梁面板、縱桁面板、支柱等采用梁單元建模。為了能準確地計算艏門操作裝置下底座及船體結構的應力響應，對于鉸鏈、支座等受力處結構采用細網格建模，細網格盡可能采用四邊形單元，單元大小約為50 mm×50 mm，部分鉸鏈結構采用多點約束(MPC)連接，以方便施加載荷。艏部有限元模型見圖3。

圖3 首部有限元模型

艏門處的船體支持結構應能承受各種支撐鉸鏈裝置的設計載荷。分別將7種工況下計算的支反力施加到船體結構對應的位置，對每一種工況進行計算校核。

3.1 約束的選取

工況1～7在局部模型的艉端施加自由支持的約束，即X，Y，Z方向位移固定，轉角釋放。

3.2 許用衡準

艏門的主要構件、緊固裝置和支持裝置的尺寸按意大利船級社規范[5]設計，粗網格(網格尺寸不大于縱骨間距s×s)下許用等效應力σVM滿足

(3)

式中：RY為材料系數，235/k，k取0.72。γR為材料安全系數，取1.1；γm為阻抗安全系數，取1.02。

對于50 mm×50 mm的細網格，不跟焊縫連接的單元許用應力提高至

(4)

式中：a取1.6。

對于冗余LC5～LC7，許用衡準提高20%，許用應力衡準見表1。

表1 許用衡準 MPa

3.3 計算結果與討論

艏部船體結構的原始設計見圖4。前文思路，對艏門支撐結構進行計算，得到結構的最大應力見表2。

圖4 原始設計

表2 最大應力 MPa

計算結果表明，結構強度不滿足要求，尤其是在在冗余工況下，區域1和區域2應力集中十分明顯，其中區域2的應力最大值超過許用應力51%，出現在左舷冗余設計工況(LC5～LC7)下，該工況的應力云圖包絡見圖5。

圖5 左舷包絡應力云圖

通過對應力不滿足點的分析發現，高應力都集中在艏門的連接支撐位置，大部分結構連接處通過增加板厚、或增大連接背部加強構件尺寸等方法，即能滿足規范要求。艏門底下結構突變處的圓弧和液壓裝置基座邊上的圓弧應力集中處，因結構空間限制，不能增加額外結構，在增加板厚后，依然超標，需進一步補強分析。

4 總縱彎矩下強度計算

對于工況8～14，需要考慮彎矩的影響，基于位移法原理，在艏部模型的艉端剛性固定，同時在工況1～7的基礎之上，在模型的尾部強框架處施加該位置的靜水彎矩變化值。

計算求解得到工況8～14的應力結果，為與工況1～7進行比較，通過局部強度計算，選取3處典型且應力較大區域的進行比較對比，3處典型位置區域見圖6。

圖6 目標區域位置

其中，區域1處的開孔為鎖緊裝置上伸縮桿的操作空間，開孔底下是鎖緊裝置的基座，見圖4。區域2處位于整個艏門與主船體交界處的前部，結構有突變，見圖4，應力集中較為明顯。區域3是整個艏門與主船體的交界處后部的橫框架處，此處屬于船體結構，橫向開設一個大型的通行門口，應力水平也較高。通過對比，計算結果見表3。

從表3可見，除了LC4工況，各區域的應力正在靜水彎矩的作用下，應力均有降低，區域1平均降低6.2%，區域2平均降低12.0%，區域3平均降低12.0%。區域1所在高度值距離該剖面中和軸位置較近，因此，影響較小，而區域2和3高度位置相當，相比區域1距中和軸較遠，因此，影響程度較大。工況4為艏門打開的工況，該工況下，船體局部結構本身應力水平很低，在疊加船體梁載荷后，應力有所增加，應力增加的絕對數據不大，相比許用應力不到12%，但由于原來的基礎應力值很小，相比時分子較小，因此，造成影響的比例很大。另外，由于該工況的整體應力水平較低，不對結構是否加強起決定性作用，因此，在強度分析中可忽略不計。

表3 應力對比

由此可見，艏門支撐構件在考慮靜水彎矩載荷后，整體應力水平會降低。所以按規范要求的方法進行計算校核，計算結果相對保守，偏安全。

5 優化與補強設計

圖5中區域1的開孔處的圓弧結構應力水平較高，需進行優化設計；區域2的圓弧不滿足強度要求，需要進行結構補強。

5.1 區域1優化設計

將區域1處的板厚由15 mm增加至25 mm，有限元計算結果顯示，自由邊應力依然集中較明顯，在LC5～LC7冗余設計工況下，最大應力在角隅局部集中現象仍十分明顯，最大應力接近許用值，見圖7。此時25 mm的板厚已經達到了周圍板厚的1.7倍，如果再增加板厚對制造和成本控制十分不利，因此，不能僅通過增加板厚來降低結構應力。

圖7 區域1原方案LC5-LC7工況最大應力分布

從該孔的應力分布可以看出，離自由邊距離越遠，應力水平越低。因此，考慮將該孔由475 mm×220 mm×R50 mm改為475 mm×420 mm×R150 mm。一定范圍內擴大開孔不影響鎖緊裝置的功能，同時還能使船舶重量更輕。計算得到最大應力為416 MPa，見圖8。

圖8 區域1優化方案LC5-LC7工況最大應力分布

對比原始設計的應力結果，見表4。

表4 結構優化前后最大應力對比 MPa

從表4可以看出，增大開孔圓弧半徑后，各工況下的最大應力水平均降低了18%左右，降低比例相當。這說明，通過擴大開孔，將過渡的圓角半徑變大，可以有效地避免自由邊的應力集中，使得應力過渡更為順暢。雖然區域1處還有增加板厚的空間，但增加圓弧半徑的方法更為簡單有效。

5.2 區域2補強設計

區域2處位于整個艏門與主船體的交界突變處，該處圓弧半徑R=200 mm，在其自由邊與艏門連接的邊緣處，應力集中很明顯。該結構因空間的限制，不具備增加面板的條件。在不改變結構形狀的方式之下，首先考慮增加板厚，該修改方案相對簡單也最為直接，將板厚由25 mm逐漸增加至85 mm，取5個值，每隔15 mm為一檔。計算結果見表5。

表5 區域2板厚改變應力變化

由表5可見，隨著板厚的逐漸增大，應力逐漸下降。當板厚增加至55～70 mm之間，在其他形式不變的條件下，應力滿足強度要求。但是，該處周圍板厚都是25 mm，如果此處板超過50 mm，則需加裝額外的焊接過渡板，且此處空間有限，增加過渡板不利制造。因此，板不應超過50 mm。

此外，隨著板厚的增加，應力水平下降的速率是不斷降低的，呈現出冪指數下降的規律，如圖9所示，當板厚超過55 mm后，每增加1 mm，應力降低不足7 MPa，雖然理論上，板厚可以超過100 mm，但當板厚超過60 mm后屬于極厚板，極厚板的價格隨著板厚增加呈指數上升，不利于成本控制。只有在萬不得已的情況才考慮使用極厚板。

圖9 應力隨板厚的變化

從區域1的應力優化分析結果上看，通過該改變角隅圓弧的大小可以降低應力集中。因此，也可以通過該方法，降低區域2處角隅自由邊的應力水平。由于區域2的空間非常有限，受密封圈的限制，此處上下空間最大500 mm，即圓弧最大增加至500 mm。為便于比較，在100～500 mm范圍內選擇5個大小的圓弧作為分析對象，每隔100 mm為一檔，均在25 mm板厚基礎上進行分析，計算結果見表6。

表6 區域2圓弧增加應力變化

由表6可見,減小圓弧半徑，自由邊的應力會增加；而增大圓弧半徑，自由邊的應力會降低，這點與區域1的結論一致。另外，隨著圓弧半徑的不斷增大，每增大1 mm半徑對應力的降低程度是不斷下降的，呈現出冪指數的下降態勢，見圖10。

圖10 應力隨圓弧半徑的變化

當圓弧增大至400 mm時，再增加半徑，每增加1 mm半徑對應力的降低不到0.3 MPa。由此可見，如果不受空間限制，圓弧增加到一定程度后，對應力降低是沒有效果的。該規律與前面板厚的增加對應力的影響較類似。此外，從應力水平上看，在板厚25 mm時，圓弧半徑增加到空間極限500 mm，應力為705 MPa，仍不滿足強度要求。由此可見，僅通過增大角隅處圓弧半徑無法滿足結構強度的要求。

通過以上分析，可以判斷，降低區域2處的應力水平，可定義2個變量參數——板厚t與圓弧半徑R。這2個變量參數對應力水平的影響程度是相似的，即增大或者降低這2個變量，對應力水平的影響是降低或者增大的。因此，應力σ可以認為分別是板厚t與圓弧半徑R的單調遞減函數，令σ=f(t,R)，則有：

(5)

相對板厚來說，增大圓弧半徑對成本的影響幾乎為零，因此，當R取區間內最大值時，應力σ可達最小值；同樣，板厚t取最大值時，能使應力達到最小值?？紤]成本、安全余量,取t=50 mm，作為最終補強方案。從表5與表6的應力降低的絕對數據來看(圓弧增大至500 mm，降低136 MPa；板厚增加至40 mm，降低168 MPa)，最終的應力會滿足強度要求，且有一定余量。

計算得到各工況下的應力與原方案設計對比見表7。

表7 區域2補強前后最大應力對比 MPa

由表7可見，補強過后，最大應力為488 MPa，仍出現在冗余設計工況，結構強度滿足要求，相比初始設計，降低應力約42%，并留有15%的許用應力余量。此外，無論是冗余工況還是一般工況，各工況的最大應力都降低約40%左右，這個規律與表4一致?？梢?，在結構分析時，同一個改進方案對不同工況最大應力的影響程度幾乎是相同的，因此，在補強或優化中只需針對主導工況進行分析，主導工況滿足要求，其他工況也會滿足要求，這對于多工況下復雜結構的補強方案設計十分有利，可以節約較多的時間和成本。

6 結論

1)客滾船艏門支撐結構強度分析的主導工況為冗余設計工況，艏門打開工況應力最小。

2)除開艏門打開工況，靜水彎矩載荷可降低艏部結構的應力，Rina規范僅考慮局部載荷的做法，相對保守。

3)客滾艏門與主船體的交接突變處等圓弧，其應力與板厚t和圓弧半徑R呈單調遞減函數關系，且應力降低速率隨二者的增加而降低，呈冪指數關系；局部補強時，在滿足規范對開口構件的設計等要求下，優先考慮增大圓弧，對成本控制有利。

4)對多工況下復雜結構的補強或者優化時，可先利用主導工況進行方案設計，在滿足要求、確定方案后，再對完整工況進行校核。