柔性设计在汽车滚装船上的应用

郭 维

(江苏现代造船技术有限公司,江苏镇江 212003)

柔性设计在汽车滚装船上的应用

郭 维

(江苏现代造船技术有限公司,江苏镇江 212003)

以 4 000车位汽车滚装船为例,探讨了柔性设计在船体结构中的应用。通过对相关区域柔性设计的分析,特别是在装载甲板区、疲劳区域和应力集中点处的处理以及装载区域甲板设计考虑等方面,与普通设计的对比,详细说明了柔性设计的结构特点和施工设计中的注意点。

柔性设计;装载甲板;疲劳区域;弹性变形

0 引言

汽车滚装船具有建造难度高,科技附加值高的特性,目前国际航运市场对滚装船的需求很大。本文就最大可能在不影响该滚装船安全航行的情况下,增加货运面积,降低营运成本,并且在设计和建造过程中,充分理解这种设计理念,为缩短船舶建造周期,提高船舶建造质量,提供一定的参考意见。

1 总体布置

本船总长 167.25 m,型宽 28 m,设计吃水 8 m,大约能装载 4 200辆各类汽车。全船一共 12层甲板,其中包括 2层升降甲板,第 5层甲板为水密甲板并贯穿全船,并带 1个 80 t的尾跳和 1个 20 t的侧跳。此船为单支柱结构,甲板平整贯通,各层甲板之间用升降斜坡道连通,便于车辆通行,上层建筑位于船头,装载甲板面积较大。4 000车位汽车滚装船总布置图如图1所示。

图1 4 000车位汽车滚装船总布置图

2 结构特点

柔性结构是指能通过部分或全部具有柔性的构件变形而产生位移的机械机构。一个柔性结构能够传递或传输运动、力或能量。其最主要的特点就是可以从柔性构件的变形获得它们的可运动性,以防止结构发生撕裂的危险。柔性设计正是运用了柔性结构的这种特点来进行船体结构设计的,是对普通设计的一种扬弃。本船中甲板横梁的变形在一定的范围以内,通过横梁的弹性变形,在满足强度要求的情况下,获得 40～50 mm位移量。本船结构设计上的主要特点如下。

2.1 甲板强框的过渡

本船柔性设计出现在甲板 5以上区域,如图2所示。

图2 典型横剖面图

从图2中可以看到,从上到下的舷侧垂向强框支撑由小变大,此时在甲板 5处产生的拉应力为最大,非常容易被撕裂,为了减小这种力带来的损害,同时最大可能提高营运面积,设计上采用了以下 2个措施:

(1)加肘板

加肘板是垂向强框处的主要连接方式。考虑到汽车和船员的安全,肘板又不能太大,也为了焊接时不产生高的应力点,因此将肘板与强框做成一体,这样可以解决肘板上下趾端的应力。但对于肘板中间部分,仍将存在较大的应力,这时也可以通过适当加厚或加大肘板来控制它的受力。这样,在甲板 5以上区域就不会出现强力结构,而且增加了货运面积,降低了营运成本。

(2)增设 Z向加厚板

普通钢板在厚度方向是不能承受拉应力的,非常容易被撕裂,因此在强框甲板 5端部增设 Z向加厚板可以起到承受板厚方向拉力的作用,如图3所示。甲板 5处的支柱受力非常大,因而此区域选用的板非常厚。在施工时要求板与板之间必须上下对齐,焊接打磨光滑。同时为了确保对齐,则需加厚甲板,如插入板,这样受力后传递更好。

2.2 横向结构的连接

甲板 5以上的受力均由承担横向力的横向结构来承担,因此设计时不能出现应力点,结构的连接形式应特别注意。为了避免横梁端部产生较大的弯矩,通常的做法就是加大横梁 T型材。但对于P C T C船(纯汽车卡车运输船)来说,这种方法在一定程度上减小了货运面积。因此,本船的做法就是让舷侧 T型材与横梁端部错位布置,其中又采用了纵、横向扁钢来传递受力。横向结构连接示意图如图4云线圈出处。

图3 中纵剖面

图4 横向结构连接示意图

2.3 装载甲板的设计

货舱区装载甲板设计时需要考虑的几方面如下。

(1)确认最小的甲板层高

在本船中,甲板所受垂向弯矩若没有传到舷侧的 T型材,则受力的甲板横梁尺寸尽可能大。甲板层高的固定有利于确定甲板横梁的最大尺寸。

(2)固定甲板载荷

甲板载荷包括均衡载荷(U D L)和局部载荷。只有将甲板载荷固定,才能进一步确认甲板横梁的尺寸。

(3)重车布置图

装载重车需要有重车布置图,结构加强及停车位置也必须按此图布置。这种重车与甲板的接触面积非常小,总吨位大,平均到每平方米的受力将超过U D L载荷。另外,甲板结构加强与停车的方向有关,因此应该严格按照此图来停车。

2.4 RORO设备

RORO设备(滚装船设备)因所处的位置和工作环境极易生锈或被污染,再加上受力情况比较复杂,除受外在压力外,还会因船体结构变形或者船舶行驶过往中的振动,造成焊缝开裂或受力构件变形而产生疲劳损坏,因此其主要构件的设计不能做得太强,应通过构件的整体变形来获得他们的可运动性,通过设置支撑垫块,避免与船体结构的直接接触,减少疲劳区域。

门孔设计时,除了增大门孔圆弧外,还须采用错位布置,即舱壁上开孔与门不在同一个平面。门孔节点图如图5所示。

图5 门孔节点图

3 施工设计

上述设计已在实船中得到充分体现,只有深刻理解了这种设计意图及方法,才能在生产设计过程中,对某些结构需要进行修改时,将这种理念具体地、详细地体现在整个设计中。

(1)在保证此船基本性能的同时,不能将任意一处结构设计得非常强,以防止出现应力点。

(2)甲板 5及以上的水密结构非常重要,与滚装设备的连接处需做测试。

(3)机舱烟道区域不要随意开孔。机舱棚与甲板的连接处焊接后必须打磨光滑以消除应力。

(4)艏部水线以下的区域受海水瞬时压力较大,为防止碰撞,此区域面积应增大;若此区域结构不连续需要补全。

(5)艉部减轻孔的布置不恰当会引起大的变形,要慎重考虑。

同时,由于在进行疲劳计算时,是在理想状态上进行的,如焊角打磨光滑、焊缝整齐漂亮,因此在施工时应特别注意保障疲劳区域的受力点,一旦有任何闪失,是没有机会补偿的。需要注意的疲劳区域为:机舱棚与甲板的连接处,甲板保持连续,上下 T型材必须对齐;在机舱棚区域的开孔,应适当增大转角处的半径值;在防撞舱壁、支柱端部、横梁与纵桁的连接处、甲板 5以上的横舱壁、滚装设备与船体结构的连接处及其他易发生撕裂的区域。

另外,在施工建造过程中对施工人员也提出了较高的要求,在焊接及打磨过程中应当注意这些疲劳区域,保证船舶建造质量。

4 结语

柔性设计理念已经越来越多地应用在滚装船上,如何更加合理、有效地运用这种设计,还有待作进一步探索。同时,在实船的生产设计和建造过程中,仍然还有很多需要大家去解决和处理的问题。

U674.13+5

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2010-03-18

郭维(1976-),女,工程师,主要从事船体专业的施工设计、生产设计工作。