船舶艙口蓋強度有限元分析方法與設計優(yōu)化李輝程【摘要】該文深入介紹了船舶艙口蓋強度的有限元分析方法，并進一步探討了利用該方法對艙蓋結(jié)構(gòu)進行設計優(yōu)化的主要步驟和關(guān)鍵問題.最后通過對一艘多用途集裝箱船的艙蓋強度進行有限元計算分析，驗證了文中觀點的正確性，進而得出了一些有用的觀點和經(jīng)驗以供設計者參考借鑒.【期刊名稱】《造船技術(shù)》【年(卷)，期】2015(000)006【總頁數(shù)】6頁(P58-63)【關(guān)鍵詞】艙口蓋;強度;有限元;設計優(yōu)化【作者】李輝程【作者單位】中國船級社福州分社福建福州350008【正文語種】中文【中圖分類】U662艙口蓋是船舶貨艙開口的關(guān)閉裝置，肩負著密封艙口、保護貨物和支撐平臺的重要作用。由于在船舶營運過程中，艙口蓋將承受貨物和甲板上浪等外部載荷，這就要求其必須具有足夠的強度，鑒于此，各大船級社規(guī)范都對船舶艙口蓋的強度校核提出了計算要求。近些年來，隨著艙蓋設計技術(shù)和構(gòu)造形式的變化，原有的經(jīng)驗公式和簡單計算方法已經(jīng)無法滿足艙蓋設計的發(fā)展，而有限元計算方法由于其可以方便地處理較為復雜的結(jié)構(gòu)，且計算結(jié)果直觀，精度較高，在艙蓋的設計中能有效地控制重量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，因此得到了廣泛運用。本文基于CCS《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范2012》［1］中關(guān)于船舶艙蓋強度計算的要求，介紹了艙蓋有限元計算的流程，并結(jié)合實船算例，探討了船舶艙蓋設計優(yōu)化的方法。1.1有限元模型有限元模型的建立應基于結(jié)構(gòu)的形式。艙蓋一般采用縱橫結(jié)構(gòu)形式，以縱骨架式的艙蓋為例，其艙蓋載荷作用于頂板，主要由縱骨承受并傳遞到強橫梁上，強橫梁再通過強縱桁傳遞到兩端支撐結(jié)構(gòu)，最后將力傳遞到甲板艙口圍上。本文使用大型有限元軟件MSC.Patran建立模型，建模原則根據(jù)CCS《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范2012》關(guān)于結(jié)構(gòu)強度直接計算的要求進行。三維有限元模型應能夠準確描述艙蓋的幾何形狀，模型中所有的板，包括強橫梁和強縱桁的腹板和面板，應采用板單元模擬，并盡量減少使用三角形單元，特別是在結(jié)構(gòu)應力集中區(qū)域避免采用三角形單元，橫梁和縱骨等普通扶強材一般使用梁單元模擬。模型網(wǎng)格的大小應根據(jù)普通扶強材的間距來確定，盡量采用比較方正的單元模擬，強橫梁和強縱桁等主要支撐構(gòu)件的腹板在高度方向上應至少分布3個單元，板單元的長寬比不得大于3:1。1.2邊界條件邊界條件的設置對計算結(jié)果有很大的影響，應根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際工作情況來合理地確定有限元模型的邊界。因為艙口蓋是放置于艙口圍板之上，由支撐塊、限位塊和鎖緊裝置對其進行固定，所以邊界條件應根據(jù)這些裝置的布置情況對艙蓋模型施加約束。一般情況下，按照船體坐標系，支撐塊處應約束Z方向的線位移，橫向限位塊應約束Y方向的線位移，縱向限位塊應約束X方向的線位移。當然，在艙蓋的設計中，限位支撐裝置往往會出現(xiàn)縱橫向限位塊或者支撐塊兼限位塊等情況，這就要按照實際情況對艙蓋施加以上三種約束的組合。有一些設計人員在艙蓋強度計算中，將整個艙蓋的側(cè)板下沿都施加了Z方向約束，這會使計算結(jié)果的應力水平偏小，特別是在支撐塊處的應力下降得特別明顯，從而使結(jié)果更容易符合規(guī)范的要求。然而，這種邊界條件的設置實際上是不正確的，也不符合艙蓋工作的原理。一般情況下，艙蓋的風雨密是通過安裝在其側(cè)板下沿的橡膠圈與艙口圍的接觸來保持固定，橡膠圈在彈性范圍內(nèi)受到彈性力擠壓以確保艙蓋與艙口圍間無間隙，這個擠壓力不能太大，否則橡膠圈在艙蓋的擠壓力作用下會受到破壞而失效，因此設計過程中，要求艙蓋的支撐由支撐塊來承擔。實際上，相對于支撐塊的支撐力作用，橡膠圈處的彈性力很小，可以忽略不計，所以有限元模型的Z方向約束應僅施加在支撐塊位置處。1.3載荷艙蓋有限元計算的載荷一般包括均布載荷和集中載荷。以普通集裝箱船艙蓋為例，一般應計算風雨載荷工況和集裝箱載荷工況。其中風雨載荷根據(jù)規(guī)范要求值，以均布載荷的方式施加在艙蓋頂板上；集裝箱載荷根據(jù)集裝箱布置情況以集中力的方式施加在集裝箱箱角位置，其大小應根據(jù)艙蓋的設計許用堆重和箱角布置情況來確定。1.4強度衡準艙蓋有限元計算的結(jié)果一般應校核單元的彎曲正應力、剪切應力和撓度。以CCS《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范2012》的要求為例，其強度衡準如表1所示。表中：Rm為材料的抗拉強度，N/mm2；ReH為材料的屈月服應力，N/mm2；l0為艙口蓋扶強材的跨距，m。2.1理論與分析要在艙蓋強度有限元計算的基礎上進行設計優(yōu)化，不但要求設計者要掌握艙蓋強度有限元計算的基本流程，更要了解結(jié)構(gòu)計算的基本理論，并學會對有限元計算結(jié)果進行分析。船舶艙蓋的強度計算是以梁理論為基礎的，根據(jù)艙蓋計算的簡化力學模型可知，其結(jié)構(gòu)和載荷最終簡化為若干受均布力或集中力的單跨梁。由《船舶結(jié)構(gòu)力學》[2]的知識可知，單跨梁中部受集中力或者均布力作用，產(chǎn)生的彎矩極值將出現(xiàn)在其跨距中部，而產(chǎn)生的剪切力極值將出現(xiàn)在跨距的兩端，正是由于這樣的彎矩剪力分布，要求橫梁中部的剖面模數(shù)較大，而兩端的抗剪切能力較強。在艙蓋的設計中，我們往往會看到艙蓋采用變截面的橫梁，中部尺寸較大并向兩端逐漸過渡變小，而在橫梁兩端的支撐塊和限位塊處，則會使用較厚的板或進行局部的結(jié)構(gòu)加強，以上設計前者是為了增加橫梁跨距中部的剖面模數(shù)，后者是為了增強橫梁兩端的抗剪切能力，這些都符合梁理論的基本原理。對有限元計算結(jié)果進行分析是判斷計算過程是否正確的重要依據(jù)，也是進行設計優(yōu)化的基礎。分析艙蓋有限元計算結(jié)果，主要是查看其計算結(jié)果的應力分布和結(jié)構(gòu)變形是否合理，與理論分析的結(jié)果是不是大體一致，即不同的構(gòu)件所對應的高應力和大變形區(qū)域是否出現(xiàn)在合理的位置。具體來講，對于頂板主要應關(guān)注其彎曲正應力值，在風雨載荷或集裝箱載荷作用下，其最大正應力一般出現(xiàn)在中間區(qū)域，而頂板附連的普通扶強材，其應力最大值一般跟頂板相協(xié)調(diào)。橫梁或者縱桁的應力值應關(guān)注腹板的剪切應力和面板的彎曲正應力，腹板的剪切應力最大值一般位于橫梁端部支撐塊處，而面板的彎曲正應力最大值則位于橫梁或者縱桁的中部。如果計算結(jié)果的應力分布不符合以上規(guī)律，則應認真分析原因，檢查計算模型、邊界條件和載荷，以便確定結(jié)果正確無誤。2.2優(yōu)化設計艙蓋有限元優(yōu)化設計就是在艙蓋的設計過程中基于有限元的計算結(jié)果，對初始設計方案進行修改，優(yōu)化艙蓋的結(jié)構(gòu)，在保證其結(jié)構(gòu)強度并滿足規(guī)范要求的前提下，減少艙蓋的質(zhì)量，降低施工的難度，提高艙蓋的性能，具體步驟如下。步驟1：根據(jù)初始設計方案對艙蓋進行有限元建模計算并查看計算結(jié)果，了解結(jié)構(gòu)的應力分布和變形情況，以控制應力水平和變形為目的，確定優(yōu)化方向。步驟2:結(jié)合目標艙蓋的實際情況，分析有限元計算的三要素——載荷、結(jié)構(gòu)和約束對計算結(jié)果的影響，修改初始設計方案，進行重新計算。步驟3：根據(jù)修改后設計方案的計算結(jié)果，確認是否達到優(yōu)化目標，如果未達到，則需要分析計算結(jié)果并重復步驟2，最終找到合理且滿足要求的優(yōu)化方案。由以上艙蓋有限元優(yōu)化設計的步驟我們可以看出，掌握載荷、結(jié)構(gòu)和約束三要素對于有限元計算結(jié)果的影響，這是找到優(yōu)化設計方案的關(guān)鍵。首先，載荷的大小、加載的位置對有限元計算結(jié)果有直接的影響，控制好載荷大小并合理分布，將會使計算結(jié)果在一個合理的水平內(nèi)。但是對于艙蓋設計來說，風雨載荷是規(guī)范要求值，集裝箱載荷則根據(jù)其裝載和布置情況已經(jīng)確定，因此實際上很難在載荷方面對其進行優(yōu)化。其次是結(jié)構(gòu)，它是承受載荷的載體，結(jié)構(gòu)的尺寸、形式和布置決定著其承載能力。通俗來講，一個好的結(jié)構(gòu)，應該是該強的地方強，該弱的地方弱，這樣不但會最大限度地降低結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，提高承載能力，還可以避免局部應力過高，變形過大。在船舶艙蓋設計過程中，一般在前期就必須根據(jù)其設計要求，確定艙蓋的布置和基本結(jié)構(gòu)形式，這個階段應注意考慮艙蓋上所受載荷的大小、布置情況和規(guī)范中尺寸要求，特別是在集裝箱箱角等受較大集中力的位置，應盡量布置縱桁或者橫梁等強力支撐構(gòu)件，這將有利于提高整個艙蓋的承載能力，避免箱角位置的應力集中。艙蓋的布置和基本結(jié)構(gòu)形式確定后，設計的重點就是對結(jié)構(gòu)的尺寸進行局部地調(diào)整，這時主要是根據(jù)有限元計算結(jié)果來對結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化。根據(jù)有限元計算結(jié)果，我們可以比較容易地找出高應力區(qū)域，并通過增加結(jié)構(gòu)尺寸或者進行局部的結(jié)構(gòu)加強來降低結(jié)構(gòu)的應力水平。對于應力水平較低的構(gòu)件，在滿足規(guī)范計算要求的前提下，則可以考慮減小構(gòu)件尺寸或者優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置等方案，以達到減少艙蓋質(zhì)量，降低建造成本的目的。最后是約束，船舶艙蓋有限元計算中的約束，主要是指支撐塊和限位塊的數(shù)量及其布置。合理的布置支撐塊和限位塊，能有效地避免結(jié)構(gòu)在約束處所產(chǎn)生的應力集中。在船舶艙蓋有限元計算中，我們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)支撐塊和限位塊處結(jié)構(gòu)的剪切應力很大，這正是由于設計過程中支撐塊和限位塊的布置不合理所造成的。它導致不少船舶的艙蓋為了滿足規(guī)范中關(guān)于有限元計算的要求，其強構(gòu)件最終在支撐塊和限位塊處往往使用較大的板厚，或者進行額外的結(jié)構(gòu)加強，這不但增加了艙蓋的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，而且還增加了施工的工作量。因此合理布置支撐塊和限位塊的位置，對船舶艙蓋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有很重要的意義。有限元計算作為一種強度校核計算方法，它與規(guī)范計算并不能相互替代。這意味著，結(jié)構(gòu)在滿足規(guī)范中經(jīng)驗公式計算要求的同時，還需要滿足有限元計算要求。因此，如果在設計過程中規(guī)范計算預留的結(jié)構(gòu)余量較大，那么使用有限元方法對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的潛力也較大，反之亦然。由于現(xiàn)在的設計單位在設計過程中嚴格控制結(jié)構(gòu)質(zhì)量，其設計方案往往在規(guī)范計算中所預留的結(jié)構(gòu)余量很小，因此有限元設計優(yōu)化最終往往體現(xiàn)在了如何以最簡單，可行且成本最低的方案對局部結(jié)構(gòu)進行加強以滿足規(guī)范中有限元計算的要求。綜上所述，通過有限元計算對艙蓋進行優(yōu)化，實際就是在確定的載荷作用下，對結(jié)構(gòu)和約束進行調(diào)整，以使艙蓋在滿足規(guī)范要求和設計目標的前提下，做到結(jié)構(gòu)優(yōu)、重量輕、施工易、成本低。2.3幾種常見的結(jié)構(gòu)優(yōu)化加強方法由于規(guī)范中對于船舶艙蓋結(jié)構(gòu)有著要求，因此使艙蓋的有限元優(yōu)化方法最終體現(xiàn)在了對其局部結(jié)構(gòu)的加強上，這就要求設計者不但要能夠分析有限元計算結(jié)果，還要掌握不同的結(jié)構(gòu)優(yōu)化加強方法并進行靈活運用，下面就介紹幾種常見的艙蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化加強方法。在艙蓋的基本設計方案確定的情況下，對其進行有限元計算，分析其應力應變分布圖，計算結(jié)果一般比較容易出現(xiàn)幾種情況：(1)橫梁或者縱桁中部正應力較大，超出規(guī)范許用值。這意味著該橫梁或者縱桁的剖面模數(shù)較小，這時最直接的加強方法就是增加剖面模數(shù)以提高結(jié)構(gòu)的承載能力，這種方法簡單實用，優(yōu)化效果也很好。(2)橫梁或者縱桁中部剪應力較大，超出規(guī)范許用值。這一般是由施加在結(jié)構(gòu)上的集中載荷所弓I起的，這時可以在集中載荷處增加肘板加強，或增加橫梁以及縱桁腹板的板厚值，以提高集中載荷處結(jié)構(gòu)的抗剪切能力。(3)頂板正應力超出規(guī)范許用值，這時需要確定超標的頂板范圍，增加該范圍內(nèi)的板厚，或者換用高強度鋼。(4)橫梁或縱桁兩端約束處剪應力較大，超出規(guī)范許用值。這是由約束處的應力集中所引起的，這時首先可以考慮增加該處的板厚值或者增加肘板等加強結(jié)構(gòu)以提高約束處的抗剪切能力，其次根據(jù)整個艙蓋的變形情況，合理地調(diào)整支撐塊和限位塊的數(shù)量與位置，也能有效降低艙蓋的整體應力水平。以上幾種常見的結(jié)構(gòu)優(yōu)化加強方法，在設計過程中，應根據(jù)船舶的實際情況靈活運用，往往會有很好的優(yōu)化效果。在船舶艙蓋的結(jié)構(gòu)有限元優(yōu)化設計中，初次檢驗船舶的艙蓋需考慮到其現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的情況和施工條件限制等，因此往往比新造船艙蓋的設計難度大很多。鑒于此，下文將以一艘初次檢驗的多用途集裝箱船艙蓋結(jié)構(gòu)有限元計算分析為例，來具體說明艙蓋有限元計算與設計優(yōu)化方法。該船兩柱間長109m,型寬17m,型深8m,設計吃水6m,全船共設3個貨艙，每個貨艙設置4塊調(diào)離式艙蓋，由于計算優(yōu)化過程相似，本算例僅選取第一貨艙的NO.2蓋板進行計算分析。艙蓋結(jié)構(gòu)簡圖和有限元模型分別如圖1和圖2所示。根據(jù)規(guī)范要求并結(jié)合本船實際裝載情況，需校核以下兩種工況。LC01為承受風雨載荷的工況；LC02為裝載20英尺集裝箱，堆重為20t。計算結(jié)果如表2所示。根據(jù)計算結(jié)果，該艙蓋的強度不能滿足規(guī)范要求，如果考慮對結(jié)構(gòu)進行加強，則橫梁的腹板、面板，以及艙蓋側(cè)板需要局部換板，這將對原結(jié)構(gòu)造成較大的破壞，且施工難度很大。因此，在載荷不變，結(jié)構(gòu)盡量不做調(diào)整的前提下，優(yōu)化艙蓋的約束，即調(diào)整艙蓋的支撐塊和限位塊的位置和數(shù)量，是其結(jié)構(gòu)優(yōu)化的唯一途徑。經(jīng)過計算分析，本算例對該艙蓋的支撐塊和限位塊布置進行了優(yōu)化，結(jié)果顯示，在調(diào)整了支撐塊和限位塊裝置的布置后，無需再對結(jié)構(gòu)進行加強，艙蓋強度就能夠滿足規(guī)范要求，圖3為該艙蓋優(yōu)化后的支撐塊和限位塊布置圖，表3為該艙蓋優(yōu)化后的計算結(jié)果。由圖3可知，該方案僅需將原結(jié)構(gòu)中橫梁4兩端的縱橫限位兼支撐塊裝置更改為縱橫限位塊裝置，橫梁5兩端的支撐塊裝置更改為橫向限位兼支撐塊裝置。對比于結(jié)構(gòu)加強方案，優(yōu)化支撐塊和限位塊的布置方案能夠極大地改善艙蓋結(jié)構(gòu)的受力情況，使應力分布更為合理，且該方案可操作性強，施工中能省時、省工、省力。有限元優(yōu)化在船舶設計領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應用。本文以理論分析和實際算例應用相結(jié)合的方式，介紹了船舶艙蓋有限元優(yōu)化設計方法，得出了以下結(jié)論，供設計者參考。相比于規(guī)范中的經(jīng)驗公式，艙蓋有限元計算方法有極大的優(yōu)越性，能夠較為直觀、準確的計算出結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的應力和應變，為設計者提供了一種簡單有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。在艙蓋