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(mào)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(fā)、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(jié)點的設(shè)計及布置對生產(chǎn)制造的進度和質(zhì)量把控影響很大。田帥[1]研究發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)場裝配、燒焊的效率與質(zhì)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(diào)研及資料分析，確定了焊接殘余應力是引起船體裂縫的關(guān)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(yōu)化。通過改變安裝階段，在定位開孔周邊獲取更多可參照結(jié)構(gòu)，但這樣的方式在現(xiàn)場作業(yè)時可能會受到作業(yè)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(jié)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(diào)整，最終依據(jù)船級社規(guī)范所定的結(jié)構(gòu)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(xiàn)在以下2個方面：

(1)安全性角度。汽車綁扎件關(guān)乎到滾裝船的安全性，在綁扎件設(shè)計階段就要對船舶擬裝貨物移動風險進行評估。根據(jù)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(shù)學模型，模擬船舶主要工況，分析綁扎系統(tǒng)的強度和穩(wěn)定性，從而提高設(shè)計精準度。

(2)作業(yè)效率角度。以某3 600車汽車滾裝船為例，在船體結(jié)構(gòu)建造過程中，整船零件有11萬多個，而綁扎碗的數(shù)量已達到21 000個，其中重型綁扎件達到3 600個，可見其數(shù)量占比非常大。此外，據(jù)統(tǒng)計：每個綁扎碗的作業(yè)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(chǎn)效率。

2 節(jié)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(huán)、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(yōu)化設(shè)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(jié)點結(jié)構(gòu)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(jié)點研究發(fā)現(xiàn)：針對滾裝船綁扎碗加強的節(jié)點，大多數(shù)船廠采用的是圖1的節(jié)點形式。

圖1 典型節(jié)點形式(單位：mm)

這種節(jié)點采用加強與綁扎完全焊死的方式，有助于后期結(jié)構(gòu)強度計算及拉力試驗，但是在現(xiàn)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(xiàn)場修割的方式來減小因定位產(chǎn)生的精度偏差，這種方式不利于提高生產(chǎn)效率，同時會產(chǎn)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(yōu)化。在建造的汽車滾裝船上采用了圖2(完整形態(tài))和圖3(部分綁扎碗位置貼近艙壁。考慮結(jié)構(gòu)強度后，采取半邊設(shè)孔，靠壁半邊不設(shè)孔)節(jié)點工藝。

圖2 完整形態(tài)(單位：mm)

圖3 半邊形態(tài)(單位：mm)

在數(shù)字化設(shè)計建模階段，可以通過制作宏孔的方式將該加強節(jié)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(jié)點美觀性，又提升了設(shè)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(diào)整，存在一定的工程冗余可能，大大增強了現(xiàn)場可操作性。

3 計算驗證

DNV·GL 船級社規(guī)范相關(guān)章節(jié)明確要求最大工作載荷大于15 kN的綁扎設(shè)備的焊接質(zhì)量需要通過結(jié)構(gòu)計算或者效用試驗進行驗證。

鑒于優(yōu)化后的圖2、圖3節(jié)點為船廠首次使用，為保證節(jié)點結(jié)構(gòu)強度能有效滿足船級社要求，因此針對相關(guān)節(jié)點進行了計算分析，計算模型見圖4。計算結(jié)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(jié)構(gòu)計算結(jié)果

由上述相關(guān)數(shù)據(jù)分析得出：在焊腳尺寸大于6 mm時，相關(guān)綁扎件可以滿足船級社規(guī)范要求。同時，為保證現(xiàn)場施工過程可控，對相關(guān)節(jié)點要求焊腳大于周圍結(jié)構(gòu)。

4 試驗驗證

4.1 試驗流程

根據(jù)DNV·GL船級社關(guān)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(jù)建造廠設(shè)備情況設(shè)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(jié)構(gòu)按圖5進行加強，并按照相關(guān)設(shè)備資料要求與船體結(jié)構(gòu)進行焊接。

(2)在綁扎碗上焊接250 kN的試驗用吊馬。根據(jù)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jīng)過上述試驗，進一步驗證了優(yōu)化后圖2、圖3節(jié)點的可靠性，同時對后續(xù)生產(chǎn)建造提供了有效的理論和試驗依據(jù)，保證了實船的安全性。

5 結(jié)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(jié)構(gòu)進行了研究和優(yōu)化。在實際應用中，該節(jié)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(jīng)以下幾個過程：

(1)在結(jié)構(gòu)上，打破傳統(tǒng)設(shè)計，加入開孔設(shè)計。這樣既添加了裝配間隙，大大提高了現(xiàn)場可操縱性，同時又有效縮減了工時，提高了作業(yè)效率。

(2)對結(jié)構(gòu)節(jié)點進行了計算驗證，結(jié)果顯示在焊腳大于6 mm時，相關(guān)綁扎件可以滿足船級社規(guī)范要求，在理論上達到了船級社結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行檢測，最終試驗結(jié)果合格。