談機(jī)艙花鋼板單元框架優(yōu)化設(shè)計(jì)

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摘要：在現(xiàn)代化造船模式不斷進(jìn)行改進(jìn)的背景下，船舶制造企業(yè)的生產(chǎn)制造方式也發(fā)生了重大變革。船舶機(jī)艙進(jìn)行單元框架設(shè)計(jì)可有效縮短造船周期，是推進(jìn)現(xiàn)代化造船的重要手段之一。文章詳細(xì)介紹了如何利用有限元分析方法對(duì)機(jī)艙花鋼板單元進(jìn)行受力分析，從而確定更合理的型材規(guī)格，達(dá)到了降低成本、減輕空船重量的目的。

關(guān)鍵詞：機(jī)艙花鋼板；單元框架；有限元分析

引言

從2010年起，國際金融危機(jī)的對(duì)造船業(yè)的影響開始慢慢凸顯，在隨后的幾年間，船舶市場的寒冬席卷而來，尤其對(duì)于我國的船舶行業(yè)形成了不小的沖擊。據(jù)中船工業(yè)研究中心統(tǒng)計(jì)，從2009年到2016年的七年間，在我國遭遇停產(chǎn)和倒閉的船廠約有140多家，被兼并或收購的船廠也有大約90多家。中國造船業(yè)經(jīng)歷了一場前所未有的大洗牌，為了能夠平安度過危機(jī)，多家船廠將轉(zhuǎn)變發(fā)展思路，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提升建造能力等方式作為應(yīng)對(duì)寒冬的抵御措施。但越來越多的船廠意識(shí)到，無論采用哪種改革方式，降低企業(yè)運(yùn)行成本都是當(dāng)前最迫切的需要，因此，提高生產(chǎn)效率，控制生產(chǎn)成本等問題得到了更多的關(guān)注度[1]。由于機(jī)艙單元模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多工種、不同工序的并行作業(yè)，改善了施工環(huán)境，縮短了施工周期，從而有效降低了生產(chǎn)成本。因此，對(duì)單元模塊化生產(chǎn)設(shè)計(jì)的研究腳步從未停止過，單元模塊設(shè)計(jì)也從單一的管系單元設(shè)計(jì)發(fā)展成為如今集管系、管支架、風(fēng)管、花鋼板、設(shè)備、設(shè)備基座以及電纜托架與一身的舾裝單元。單元框架的樣式也變得多樣化，無法尋求統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行單元框架的選材，大部分都是由設(shè)計(jì)員憑經(jīng)驗(yàn)為之，這就無形中給生產(chǎn)帶來了隱患，框架強(qiáng)度不足會(huì)引起振動(dòng)或斷裂，框架強(qiáng)度太強(qiáng)增加了空船重量，同時(shí)也造成了材料的浪費(fèi)。甚至有的時(shí)候會(huì)由于船東的個(gè)人意愿來修改框架，造成現(xiàn)場返工。因此，為單元框架選擇合適的型材就顯得尤為重要[2]。

1機(jī)艙花鋼板單元框架選型優(yōu)化設(shè)計(jì)

以某船機(jī)艙主甲板倒掛單元為例，由于此船3臺(tái)發(fā)電機(jī)正上方?jīng)]有結(jié)構(gòu)甲板，但需要在此處布置主機(jī)及發(fā)電機(jī)吊梁，以及通往機(jī)艙棚的通道、主排氣管的檢修平臺(tái)等，因此需要以四周的結(jié)構(gòu)為支撐，設(shè)置長7m寬8m的平臺(tái)，并將吊梁、管路、欄桿、格柵、電纜托架、燈架等舾裝件組合在一起做成主甲板倒掛單元。吊梁下端需要設(shè)置幾處吊點(diǎn)，可以確保吊梁受力平衡。綜合吊梁理論，對(duì)有限元強(qiáng)度進(jìn)行規(guī)范化計(jì)算。吊梁自重盡量輕化，高強(qiáng)度工字鋼的屈服強(qiáng)度約為3555N/mm2，普通鋼的屈服強(qiáng)度大約為235N/mm2，相比較而言，在能夠保證承擔(dān)起主機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的情況下，使用高強(qiáng)度工字鋼進(jìn)行吊梁可以有效降低其自重。相關(guān)吊梁的布置如圖1所示。在極限工況下，主框架下的主機(jī)吊梁需要承受3t壓載，同時(shí)3臺(tái)發(fā)電機(jī)吊梁均需要承受1t的壓載，考慮到主機(jī)和發(fā)電機(jī)吊梁均由工字鋼制作，其承受載荷的能力勝于角鋼和槽鋼[3]，因此主框架同樣采用工字鋼搭建，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)者預(yù)選用20#A的工字鋼作為單元框架的原材料。有限元方法是20世紀(jì)中葉程電子計(jì)算機(jī)誕生之后，在計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算力學(xué)和計(jì)算工程科學(xué)領(lǐng)域里誕生的最有效的計(jì)算方法。經(jīng)過40年的發(fā)展不僅使各種不同的有限元方法形態(tài)相當(dāng)豐富，理論基礎(chǔ)相當(dāng)完善，而且已經(jīng)開發(fā)了一批使用有效的通用和專用有限元軟件，使用這些軟件已經(jīng)成功地解決了整機(jī)、機(jī)械、土建、宇航、核能、氣象、水文等領(lǐng)域眾多的大型科學(xué)和工程計(jì)算難題。要想進(jìn)行有限元分析，必須具有有限元分析軟件[4]。在機(jī)艙的靜、動(dòng)態(tài)特性的分析中，為了更合理的選取制作主框架的型材規(guī)格，我們將借助有限元分析軟件ANSYSworkbench14.0對(duì)主框架在極限工況下進(jìn)行受力分析以及強(qiáng)度校核。有限元分析法除了可以針對(duì)機(jī)艙靜力進(jìn)行分析，也可對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及振動(dòng)情況進(jìn)行有效分析，即在負(fù)荷作用下物體的應(yīng)力及變形相關(guān)問題。ANSYS軟件是目前使用最廣泛的商用有限元軟件之一。我們分別選取12#、16#和20#A3種規(guī)格的工字鋼，利用有限元分析軟件對(duì)主框架進(jìn)行建模如圖2所示：

1.1變形分析

在載荷的作用下，3種規(guī)格的工字鋼變形情況如圖3所示。通過上述分析可得，12#工字鋼最大變形量為15.997mm，16#工字鋼最大變形量為6.1479mm，20#A工字鋼最大變形量為2.3015mm，根據(jù)建筑工程標(biāo)準(zhǔn)，取撓度系數(shù)為1/500，L=7000mm，得出工字鋼允許最大變形量為14mm，因此12#不能滿足使用要求，16#工字鋼和20#A工字鋼均滿足要求。

1.2等效應(yīng)力分析

3種不同規(guī)格工字鋼的等效應(yīng)力情況為：規(guī)格為12#的工字鋼最大應(yīng)力為136.91Mpa，規(guī)格為16#的工字鋼最大應(yīng)力為69.446Mpa，規(guī)格為20#A的工字鋼最大應(yīng)力為32.102Mpa，取安全系數(shù)1.25，則三者均小于Q235A級(jí)鋼許用應(yīng)力160Mpa，因此均滿足要求。綜上可知，選用16#的工字鋼做單元框架應(yīng)更為合理，搭建此單元框架共用材料85m，這比原來預(yù)想的采用20#A的工字鋼要減輕重量630kg，節(jié)省材料成本約2500元。

2結(jié)語

通過受力分析可以看出，單元框架規(guī)格的選型設(shè)計(jì)可以借助更科學(xué)的手段來進(jìn)行優(yōu)化，使其在滿足使用要求的基礎(chǔ)上選擇更合適的型材規(guī)格。在機(jī)艙單元的設(shè)計(jì)過程中，不僅可以通過受力分析來選擇型材，也可以通過分析確定更合理的吊梁支撐腿位置，甚至更有效的搭建形式，并通過實(shí)踐來進(jìn)行反向檢驗(yàn)，獲取更實(shí)用的數(shù)據(jù)供設(shè)計(jì)員參考。使鐵舾設(shè)計(jì)更高效。

參考文獻(xiàn)：

[1]李德派,馮國強(qiáng).1750TEU集裝箱船機(jī)艙雙層底分段精度控制[J].廣東造船,2020,39(04):64-66+84.

[2]郭昂,王博,申高展,等.大尺度雙體船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].艦船科學(xué)技術(shù),2020,42(01):75-79.

[3]宮旭輝,薛鋼,李沖,等.集裝箱船用高強(qiáng)度厚鋼板止裂韌性指標(biāo)值的初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2017,32(06):4-7.

[4]劉銳,王銘,張健,等.208000DWT散貨船機(jī)艙總段整體吊裝強(qiáng)度有限元分析[J].造船技術(shù),2016,(03):62-68+95.

作者：夏東蕊 單位：南京金陵船廠有限公司