大型船舶折叠式舱口盖结构优化设计

祁 鹏

（江苏润邦重工股份有限公司，江苏 南通 226000）

随着我国船舶生产技术的发展，折叠式舱口盖成为大型船舶重要的组织部分。其主要是由若干块床盖板组织，通过翻转和折叠进行启闭的机械舱口盖。其工作原理主要是利用铰链将盖板进行相连，通过铰链轴实现旋转。折叠舱口盖一般收藏于舱口端，由于折叠式舱口盖具有操作简单、不易损坏的优势，尤其是横接缝不需要设置压紧器，因此其在大型货物船舶中具有广泛的应用价值。然而随着我国大型船舶负载的不断增加以及运输货物质量要求不断提升，依赖于传统经验公式设计的舱口盖难以满足现实工作要求，因此本文结合多年工作经验，提出优化折叠式舱口盖的具体方案。

1 优化设计

大型船舶折叠式舱口盖多见于散货船，其主要是发挥密封、保护货物的作用。由于折叠式舱口盖工作主要是靠铰链、滚轮以及限位装置等元器件，其要求质量比较高。笔者通过多年实践调查发现，折叠式舱口盖在具体的实践应用中存在使用寿命短、难以满足风雨负载、容易出现腐蚀等问题，影响货物的安全运行。所以优化折叠式舱口盖结构成为大型船舶舱口盖生产企业所必须要解决的问题。结合实践调查影响舱口盖性能的因素主要包括船体体积、载货重量等因素，因此在舱口盖优化设计时必须要遵循以下原则：一是安全性。舱口盖设计必须要保证舱口盖的安全，其不仅要满足适应不同环境的要求，而且还必须要保证绝对的密封性。二是结构强度高。舱口盖的强度要求比较高，需要经过严格的设计论证。基于大型船舶实际操作要求，折叠式舱口盖需要具备结构强度高、舱口盖重量轻、操作简单、性能问题的要求。针对上述要求，在有限元模型计算结果的基础上，提高具体的改进方案，以此提高折叠式舱口盖的强度。具体的设计步骤为：首先利用有限元模型计算出舱口盖负荷应力分布情况及造成的形态变化，找出舱口盖的缺陷；其次根据计算结果分析导致折叠式舱口盖强度不高的原因，并且对原始结构进行改造核算；最后参照舱口盖优化后的有限元计算结果判断优化后的方案是否满足了设计目标[1]。下面主要从结构和约束两个方面对大型船舶折叠式舱口盖结构进行优化设计。

1.1 有限元优化模型

本文选择的大型船舶的吨位比较大，基于海上货物运输的要求，设置2个舱口。折叠式船舱口则是由若干个床盖板组成，然后在块间用铰链或者其他器具相连接。舱口盖由10块盖板组成，由CCSA钢铸造而成。具体的设计标准规格为，弹性模型E=2.06×1011N/m2，泊松比μ=0.30。结合相关的设计规格要求对其进行建模设计并且进行计算，舱口盖有限元模型如图1所示。模型X轴表示船长、Y轴表示船宽、Z轴向上为正方向建立坐标系[2]。

图1 舱口盖有限元模型

1）目标函数。确定目标函数就是为了达到预定目的，结合船舶舱口盖的实际运行要求，优化舱口盖最终目的就是提高其强度，因此在设置目标函数时必须要以围绕与船舱口盖强度有关的围板厚度、舱口盖顶板、强横梁、横梁的最小剖面模数作为函数变量[3]。其函数目标为：

式中：N为变量数量；M为变量单元数量；g为钢材重量；e1为梁元和壳元厚度；e2为腐蚀余量；lw为两元的长度或宽度。

2）约束函数。约束函数是解决问题的最佳符合条件，结合上述建模的目标要求，根据舱口盖的基本结构及受力区域，需要确定舱口盖的应力区域。针对区域内的受力情况，计算出区域受力的大小，以此准确的计算出结果，并且根据结果对舱口盖的结构尺寸进行调整优化[4]。通过总结分析，约束函数如下：

式中：δ为等效应力；Γ为剪切应力及许用应力；σ为弯曲应力。

1.2 有限模型的边界条件

通过综合计算，有限模型边界条件如表1所示：

表1 边界条件

1.3 负载计算

根据多年工作经验，由于折叠式舱口盖在工作过程中不仅要承受货物负荷的影响，而且还需要承受风雨冲击的影响，因此为了便于提出最优化的设计方案，本文主要考虑风雨载荷工况和集装箱载荷的影响[5]。风雨载荷主要是以均匀的方式给舱口盖施加载荷作用，集装箱对于舱口盖的载荷影响则是以其重量和集装箱的分布为主的。结合相关文献资料，在计算舱口盖时只需要参考BV规范要求就可以。

2 折叠式舱口盖结构优化实验分析

通过上述说明，该货船主要是以散货运输为主，船舶的吃水达到6m、船舶两柱间长为109m；型宽17m；型深8m。一共有3个货舱，每个货舱设置4块调离式舱盖[6]。通过上述研究发现，在风雨载荷和集装箱载荷两种工况下，有限元计算结果如表2所示。通过有限模型计算结果显示，该船舶的折叠舱盖存在强度不足的问题，因此优化主要目的就是要通过优化结构等措施提高舱口盖的强度，以此适应船舶运输要求。

表2 两种载荷有限元计算结果

针对表2数据，本次进行以下优化设置：舱口盖横梁由4条调整到6条，支撑块由5块调整到6块[7]。具体分布如图2所示。

3 试验测试结果

图2 舱口盖优化后的支撑块和限位块分布情况

通过对改进后的折叠式船舱口的结构强度进行计算得出以下结论：1）提高了折叠式船舱口盖的强度。通过计算，优化后的舱口盖的应力值相比之前提高了14MPa，有效地遏制复杂环境对舱口盖的影响，适应了散货运输的要求。2）提高了船舶舱口盖的承载能力。舱口盖具有一定的承载力，根据计算舱口盖的载荷承载力达到120kN/m2时就达到极限。但是优化后，舱口盖的承载力提高到了160kN/m2，满足了设计要求。3）降低了生产成本，提高了舱口盖生产企业的经济效益。通过计算优化后的舱口盖不仅有效提高了承载力，而且还进一步降低了舱口盖的生产成本，大大提高了制造企业的生产效益。按照每吨制造成本1万元的标准进行计算，通过优化方案后，舱口盖的制造成本可以降低30万元[8]，这样可以为企业节省大量的资金。

当然为了保证舱口盖优化设计的质量还必须要做好以下保障工作：1）要加强人员教育培训，提高舱口盖作业人员的安全意识。实践证明加强作业现场安全管理至关重要，如果发生安全事故不仅会影响作业人员的生命安全，而且还会给企业造成巨大损失。因此企业要加强对作业人员的教育培训，提高他们的质量控制意识，规范其作业行为，保证各项作业工序按照预定的流程操作。2）加强原材料质量控制。舱口盖结构优化设计必须要从原材料质量控制上入手，例如要强化对舱口盖钢板的质量控制，保证其性能符合要求。同时做好涂料的质量控制，杜绝采用质量不合格的产品，以此影响舱口盖的防腐性能。3）优化舱口盖的生产工艺。经过科学计算在舱口盖制造过程中必须要严格按照制造工艺进行操作，充分利用大数据技术提升制造工艺。

总之，基于折叠式舱口盖所存在的不足，利用有限元优化模型可以更为直接准确地计算舱口盖结构的应力状况，优化后的舱口盖性能符合实际运行需要。