大型滚装船坡道舱盖支撑结构有限元分析及优化

叶步永，胡文凤，王 伟，马 鸿

（1.扬帆集团股份有限公司设计研究院，浙江舟山 316100；2.浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022）

日本、德国、法国在设计和建造PCTC汽车滚装船方面一直处于领先地位[1-2]；近年来由于我国汽车出口量有大幅度地增长，对汽车滚装船的设计和建造也日益增多，但大型汽车滚装船还主要由国外设计。7800PCTC是由扬帆集团公司自主研发设计的世界上现有最大的柔性结构汽车滚装船。由于规范中对汽车滚装船结构计算的经验公式非常少，所以大量的结构有限元工作在设计时被提出[3-5]。

7800PCTC具有建造难度大，科技附加值高的特点；该船全长为199.90 m、型宽36.45 m、型深34.275 m，全船分为13层甲板，层间设有两排立柱。该船5甲板以下是刚性结构，以上是柔性结构，利用框架横向位移减少构件上的应力水平；另根据破舱稳性要求该船货舱区以6甲板为界，水密分为上下两个区域，6甲板坡道开口需要设有水密舱盖，舱盖和船体结构通过铰链进行固定。坡道舱盖是PCTC船的主要特点之一，由于大开口结构，且处于刚性和柔性相接的特殊位置，强度校核需特别重视。

本文选取7800PCTC的水密舱盖周界结构为研究对象，利用3D-Beam获取了舱盖铰链应力，并利用MSC Patran和Natran对舱盖周界结构进行应力分析，并对应力大的区域进行结构优化。

1 有限元计算模型

本文从7800PCTC全船有限元模型中选取活动坡道水密舱盖区域的子模型进行计算，模型的范围覆盖整个活动水密舱盖、活动坡道以及支撑结构，模型范围纵向从FR10到FR64；横向从距中-5 750 mm到右舷舷侧外板；垂向从距基线7 200 mm到17 335 mm。有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型Fig.1 FEM model

2 载荷工况、约束和许用衡准

2.1 载荷工况内容

该研究区域计算包含有两个极限工况[6]，见表1。

表1 载荷工况Tab.1 Load case

2.2 Upper载荷工况描述

（1）静水载荷

式中ρ为海水密度1.025 t/m3；T为结构吃水9.5 m。

（2）波浪载荷

式中C1为波浪参数值。

式中h为水线高度，h=CF1h1，CF1为载荷因子，实取0.5；h1为船舶迎浪状态下运动相对参照值。

（3）甲板上均匀装载载荷Fwz

式中M为车辆轴向载荷；as1垂向加速度；g为重力加速度。

（4）舱盖压力

活动水密舱盖利用3D-Beam建模计算，舱盖铰链连接处约束z向位移，主铰链约束x、y、z方向位移，载荷取6甲板以上破损到最大破损水线20.03 m，海水压头为4.695 m，车辆载荷较小可忽略，模型及约束如图2所示。活动水密舱盖对主船体结构产生的压力计算结果见表2，表中载荷为距中7 150 mm和13 500 mm纵桁处从尾到首各铰链处载荷。

表2 活动水密舱盖铰链处受力分布Tab.2 The force distribution on hinge of moveable watertight cover

图2 水密舱盖分析模型Fig.2 Analyzed model of watertight cover

2.3 Flooding载荷工况描述

该工况是出于安全考虑的极限破舱浸水工况，假定6甲板以下所有舱室全部破损进水；海水压力与Upper工况一致，但外板只需考虑外部6甲板以上的海水压力；水密6甲板受到海水压力：Ps=ρg(Td-D6)，Td破舱后吃水取20.03 m，D6为6甲板高度取15.335 m。活动水密舱盖受到海水压力与6甲板一致，破损压头取4.695 m方向朝上，对结构产生的压力与表2一致方向相反。

2.4 约束的选取

根据计算模型的范围建立一个子模型组和子模型周界节点组；在全船有限元母模型中，分别对Upper和Flooding工况进行有限元计算，得出子模型切割边界的位移矢量场；通过线性插值给子模型边界节点定义位移边界条件。

2.5 许用衡准

工况许用衡准见表3。

表3 许用衡准Tab.3 Acceptance criteria

3 计算结果分析与优化

3.1 计算结果

经计算得到结果应力分布云图，如图3～4所示。最大应力值见表4。

图3 Upper工况应力云图Fig.3 Stress figure of upper case

图4 Flooding工况总应力云图Fig.4 Stress figure of flooding case

表4 应力汇总Tab.4 Summary of stress

3.2 结果分析

从图3和图4可以看出：两种工况下，整体结构应力均不大，大的应力和变形主要出现在水密舱盖周界，集中于支柱与角隅处；Upper工况最大应力在尾支柱和支柱下支撑舱壁，最大应力为272 MPa；Flooding工况最大应力也在尾支柱和支柱下支撑舱壁处，最大应力327 MPa；经比较分析，周界应力较大尤其是尾支柱和其支撑舱壁，且其屈曲分析也不能满足要求。因此，结合计算结果需对尾支柱区域结构进行优化。

3.3 结构优化

优化内容：支柱屈服及轴向屈曲强度不够，增大支柱规格；支柱下支撑结构板格屈曲计算不能满足要求，人孔移位；支柱下支撑刚度不足，修改球扁钢为T型材，增加垂向刚度。优化后的应力结果见表5。

表5 应力汇总Tab.5 Summary of stress

4 结语

通过以上分析及结构优化得出以下结论：

本文通过对活动坡道水密舱盖支撑结构在极限工况下进行有限元结构强度评估，发现水密舱盖四周结构应力水平较高，尾部支柱及支柱下支撑结构超出许用衡准，说明了极限工况下有限元评估的必要性。优化后的应力较之前有明显下降，且能满足规范要求。本文通过3D-Beam获取水密舱盖铰链处载荷，并在全船Upper和Flooding两种极限工况下评估结构应力，能较准确的获取该结构的应力水平并进行加强，确保该船结构设计的安全性。全船有限元分析和舱盖强度计算很容易忽视二者结合的应力评估，本文给后续PCTC船开发的结构有限元计算提供理论参考。