陳 方

（上海船舶研究設計院，上海 200032）

0 前言

作為船上最大的設備之一的艙蓋具有多種型式，最著名的艙蓋是最早的單拉滾翻式艙蓋，它開辟了鋼制艙蓋的新時代?，F代艙蓋可以劃分為三種基本類型：吊離式艙蓋、側移式艙蓋以及折疊式艙蓋。一艘干貨船露天甲板的艙蓋具備以下基本功能：在開啟的位置，它為裝卸貨物提供進入貨艙的通道，而在關閉的位置，它密封貨艙口使貨物不受惡劣天氣和海況的影響。隨著集裝箱化的進展,承受更大的甲板載荷已經成為露天甲板單跨艙蓋一種新的、不可缺少的功能。這就要求艙蓋設計者將設計出輕巧而又結實的艙蓋視為終極目標。在以往的強度校核中,多數是以單跨梁的形式來進行計算校核,不考慮有縱橫多塊艙蓋之間相互牽制作用。隨著現代船型的巨型化，船級社對艙蓋設計要求提高,過去的計算方法略顯粗糙，所以從2006年開始，中國船級社要求對艙蓋結構進行有限元建模計算、強度分析和評估。由于7 800 DWT多用途船是比較典型的大開口的多用途船,而艙蓋也是典型的采用橫向接縫的單艙口并排式艙蓋,所以本文就以該船的艙蓋設計為例分析有限元模型在艙蓋設計中的應用。

1 艙蓋強度的有限元計算

1.1 有限元模型的建立

本計算采用有限元分析的方法,有限元計算應用MSC.PATRAN/NASTRAN軟件。計算模型的建立按照中國船級社的有關規(guī)定。有限元建立在笛卡爾坐標系中，X軸沿船體縱向指向船首，Y軸沿船寬方向指向左舷，Z向沿船體由船底垂直指向甲板。有限元模型包括一個艙口所有艙蓋板的頂板，橫縱向桁材及桁材面板，小梁等主要構件。計算模型采用凈厚度（扣除了2mm腐蝕余量），單元網格大小按照加強筋間距。模型見圖1。

圖1 第一艙艙口蓋

1.2 計算載荷

強度的計算工況將分成三種：均布載荷、20 ft集裝箱集中載荷及40 ft集裝箱集中載荷。分別計算艙蓋結構所能承受的最大載荷。

1.2.1 均布載荷

中國船級社《鋼質海船入級與建造規(guī)范》（以下簡稱“鋼規(guī)”）（2006版）規(guī)定艙蓋進行直接計算時，在位置1，即0≤x≤0.25 LL，其均布載荷應按公式：

34.3+［14.7+（LH-100）a］（1-4x/LL） （LL≥100m）

式中：

LH——載重線船長，且不大于340m；

LL——垂線間長；

x——艙口蓋板格中點至LL前端的縱向距離；

a——系數（B型干舷船，α取0.0726；減少干舷船，α 取 0.356）。

對于處于位置1的第一艙的艙蓋從首向尾，每塊艙蓋的均布載荷都是不同的，最大載荷為向首第一塊41.8 kN/m2,而在位置1以外的載荷全部為34.3 kN/m2。這就要求在設計時，首部第一艙每塊艙蓋的結構尺寸都將是不同的。載荷分布情況，見圖2。

圖2 均布載荷分布圖

1.2.2 集裝箱載荷

20 ft集裝箱艙蓋所受載荷為24 t/堆,40 ft集裝箱艙蓋所受載荷為30.5 t/堆。

載荷分布情況見圖3和圖4。

圖3 20 ft集裝箱受力分布圖

圖4 40 ft集裝箱受力分布圖

1.3 邊界條件

對橫向線位移的約束,約束點位于模型側板上橫向限位裝置處，其約束條件是y=0；

對縱向線位移的約束，約束點位于模型側板上縱向限位裝置處，其約束條件是x=0；

對垂向線位移的約束，約束點位于模型的端板和側板的支承塊處，其約束條件是z=0；

邊界條件見圖5。

圖5 邊界條件圖

1.4 計算結果及強度評估

艙蓋的主要構件大多數布置在集裝箱箱角處,由于在集裝箱載荷作用下,局部結構容易產生高應力,因此在有限元模型中對關鍵構件和容易引起應力集中的局部構件（如橫梁和縱桁的腹板及側板和端板）再進行了單元網格細化，使有限元模型的計算結果能較為準確地反映實際結構在外載荷作用下的響應。

1.4.1 屈服強度評估（見圖6～圖13）

圖6 均布載荷時板單元最大彎曲應力

圖7 均布載荷時最大撓度

圖8 20 ft集裝箱載荷時板單元最大彎曲應力

圖9 20 ft集裝箱載荷時板單元最大剪應力

圖10 20 ft集裝箱載荷時最大撓度

圖11 40 ft集裝箱載荷時板單元最大彎曲應力

圖12 40 ft集裝箱載荷時板單元最大剪應力

圖13 40 ft集裝箱載荷時最大撓度

本模型主要結構材質均為“AH36”高強度鋼，即ReH=355N/mm2。

均布載荷下的許用彎曲應力為：

［σ］=0.8×ReH=0.8×355=284N/mm2均布載荷下的許用變形為：［f］=0.005 61集裝箱載荷下的許用彎曲應力為：

［σ］=0.5×ReH=0.5×355=177.5N/mm2

集裝箱載荷下的許用變形為：［f］=0.002 81許用剪應力為：

［τ］=0.292×ReH=0.292×355=103.66N/mm2具體校核數值見表1～表3。

表1 第一艙艙蓋板屈服應力與變形校核（均布載荷）

表2 第一艙艙蓋板屈服應力與變形校核（20 ft集裝箱載荷）

表3 第一艙艙蓋板屈服應力與變形校核（40 ft集裝箱載荷）

1.4.2 屈曲強度評估

根據“鋼規(guī)”第8章8.11.3.6進行臨界屈曲應力校核。見表4～表6。

（1）對于垂直于扶墻材方向的主要支撐構件彎曲而引起的艙口蓋板板格的平均壓應力σ,應不超過臨界屈曲應力σc1的0.8倍，σc2應按下列兩式計算：

表4 垂直于扶強材方向頂板臨界屈曲應力校核

表5 扶強材帶板臨界屈曲應力校核

表6 橫梁和縱桁腹板臨界屈曲剪切應力校核

式中：

ReH——材料屈服應力，N/mm2；

E 取 2.06×105N/mm2；

t——板格的凈厚度，mm；

S——扶強材的間距，m；

SS——板格的短邊長度，m；

lS——板格的長邊長度，m；

ψ——最小壓應力與最大壓應力之比值；

c取 1.21。

（2）對于平行于扶強材方向的主要支撐構件的彎曲而引起的艙口蓋扶強材帶板中的壓應力（σ），應不超過臨界屈曲應力σσ的0.8倍，σσ應按下列兩式計算：

式中：

ReH——材料屈服應力，N/mm2。

σES取 σE3和 σE4中較小值。

式中：

E=2.06×105N/mm2；

Ia——扶強材的慣性矩，cm4；

A——扶強材的橫剖面面積，m2；

l——扶強材跨距，m。

（3）艙口蓋主要支撐構件腹板板格的剪切應力（τ）應不超過臨界屈曲應力τC的0.8倍，τC應按下列兩式計算：

式中：

ReH——材料屈服應力，N/mm2；

E=2.06×105N/mm2；

tpr,n——主要支撐構件腹板的凈厚度，mm；

d——腹板板格中短邊長度，m；

a——腹板板格中長邊長度，m。

2 計算結果分析

2.1 艙蓋結構的優(yōu)化設計

根據屈曲強度計算結果的經驗,加強筋的間距為500mm～550mm左右為適當。以往的設計不考慮相關結構間相互作用等因素，所以看不出整個艙口艙蓋板變形的不同變化，在跨距和外部載荷相同的條件下，認為每塊艙蓋的撓度是相同的，構件所取板厚與形式也一樣。通過有限元模型從以上表格和附圖中,我們可以看出，因為艙蓋板受載荷工況和邊界條件的不同，加強結構受力狀態(tài)和結構形式也會不同，應力較大處的結構應較強些。一個艙口中的幾塊艙蓋板在接縫處是從兩邊向中間有序開啟的,相互的牽制作用使各塊艙蓋所受應力值是不同的，而變形一般也是中間艙蓋最大，兩邊遞減，因而變形大的頂板及主梁板厚取大些。主橫梁在側板處所受剪切力最大,腹板兩端所取板厚較大些。采用邊計算、邊分析、逐步優(yōu)化的方法，通過與應力衡準值比較，使結構設計逐步趨向優(yōu)化，結構分布更合理，自重得到減輕。

2.2 為相應的船體結構加強提供更準確的依據

在以往的設計中，艙蓋作用在艙口圍上受力點（支承塊、限位裝置等）的載荷，往往是根據受力點數量平分的，每個受力點載荷是相同的。而通過有限元模型我們可以清楚的看到，每塊艙蓋上集裝箱的布置、結構的分布和支承塊及限位裝置的布置的不同都會引起受力點載荷的變化，所以每個受力點載荷是不相同的。而船體艙口圍加強可根據載荷的大小進行相應的結構加強，這樣能提高結構加強的準確性，見圖14。

圖14 受力點載荷的分布圖

2.3 提供主要結構重量

以往，艙蓋設計好后估算艙蓋重量時，要進行人工輸入數據進行匯總，花費大量時間。而通過有限元模型建模，可以直接讀取模型中的結構重量，減少大量的工作量，提高了效率。

3 結語

通過上述有限元的建模計算，我們可以比常規(guī)的按規(guī)范計算更精確地把握結構的受力狀況，使得艙蓋結構滿足新規(guī)范的要求，減少鋼材使用，減輕了艙蓋自重，設計更加合理，保證了整條船舶的經濟性。