葛珅瑋，袁友華，李子凡，張衛(wèi)，周文

(1.招商局郵輪制造有限公司，江蘇 南通 226000，2.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

客船的桅桿一般是全船的最高點。沿海、近?？痛艿娇绾蛄夯蚱渌ê礁叨仍O(shè)施的限制，需要將桅桿設(shè)計成可倒可升的形式(以下稱可倒桅)。固定式桅桿及鏈接強度可以在整船模型中施加局部載荷進行評估，但對于可倒桅結(jié)構(gòu)，在升降過程中液壓桿會產(chǎn)生很大的推力，如直接計入整船結(jié)構(gòu)進行強度分析，則液壓桿的作用力對于整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)作用力和反作用力的關(guān)系，將無法考慮到液壓油缸的作用。該推力非常大，極可能會對可倒桅本體結(jié)構(gòu)與船體支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。已有的公開資料主要以固定式桅桿為對象，研究其振動響應(yīng)現(xiàn)象[1-2]，對客船可倒桅的設(shè)計與強度研究較少。封閉式桅桿不同于桿式桅桿結(jié)構(gòu)，有一定的受風(fēng)面積，且客船的藝術(shù)設(shè)計往往會使桅桿的受風(fēng)面積較大，因此，風(fēng)載荷對桅桿強度存在一定影響。

另外，受到雙體客船造型的制約，可倒桅與甲板僅采用鉸鏈連接，甲板補強空間又十分有限；同時為有效減輕重量、減少吃水、降低重心高度，客船上建及桅桿結(jié)構(gòu)需要使用鋁合金材料，鋁合金的許用應(yīng)力相比鋼低很多，且對焊接熱影響比較敏感，這些因素會無疑會增加結(jié)構(gòu)設(shè)計難度。為此，對一雙體客船的可倒桅進行載荷分析，考慮液壓油缸頂推力的作用，結(jié)合船體所受風(fēng)載荷與加速度，得到組合工況，利用有限元方法，采用分步求解的方式，分別對可倒桅本體結(jié)構(gòu)及船體支撐結(jié)構(gòu)進行強度評估，對比全船有限元計算結(jié)果，分析液壓油缸的推力與橫向風(fēng)壓工況對可倒桅與船體支撐結(jié)構(gòu)的影響。

1 可倒桅載荷分析

1.1 可倒桅結(jié)構(gòu)

目標(biāo)雙體客船的側(cè)視圖見圖1，其中虛線圈內(nèi)結(jié)構(gòu)為該船的可倒桅，布置在雙體船頂層甲板的尾部，全鋁合金設(shè)計。

圖1 目標(biāo)雙體客船示意

該可倒桅為閉式筒狀結(jié)構(gòu)，采用鉸鏈支座與甲板結(jié)構(gòu)相連，可實現(xiàn)最大90°的升倒，相比純桁架形式的桅桿，具有穩(wěn)定性好、藝術(shù)效果易實現(xiàn)的特點，見圖2。

圖2 可倒桅結(jié)構(gòu)示意

可倒桅上的支座A1通過液壓伸縮油缸與船體甲板支座D1連接，實現(xiàn)可升倒功能；可倒桅上的雙支座A2與甲板上的雙支座D2使用銷軸連接，以此作為轉(zhuǎn)動支點，當(dāng)可倒桅轉(zhuǎn)至垂立狀態(tài)后再使用自動插銷將A3與D3進行緊固連接。該可倒桅尺寸見表1。由于筒體長僅為1.4 m，不及船長的5%，且與甲板僅通過鉸鏈連接，因此，認(rèn)為該結(jié)構(gòu)不受總縱應(yīng)力的影響。

表1 可倒桅直立時尺寸 m

1.2 受力與工況分析

可倒桅在起升和放倒作業(yè)過程中，由于自重及油缸的載荷作用，其本體和船體結(jié)構(gòu)均會承受較大的拉壓和彎曲載荷；在船舶航行過程中，還會受到風(fēng)載荷和慣性載荷的影響。對可倒桅升降和航行過程中兩種狀態(tài)下的多個工況進行載荷分析。

1.2.1 升降狀態(tài)

考慮實際作業(yè)的風(fēng)險，一般在大風(fēng)時，不會升起可倒桅，因此此作業(yè)過程不計風(fēng)載荷?？傻刮乃轿恢瞄_始起升，液壓油缸載荷將直接作用到連接支座上，撐起整個可倒桅結(jié)構(gòu)，如圖3所示，隨著可倒桅由起升瞬間的0°起升至45°，力臂l值越來越大，而重力力臂值越來越小，根據(jù)力矩平衡原理，油缸的作用載荷將快速減小，連接支座的受力也隨之減小，當(dāng)桅桿達(dá)到90°垂立狀態(tài)后，油缸只起支撐作用，受力最小。因此，液壓油缸的最大載荷出現(xiàn)在起升瞬間。

圖3 可倒桅力臂l變化示意

1.2.2 航行狀態(tài)

雙體船航行過程中，可倒桅除了受自重作用外，還受到風(fēng)載荷與船舶運動的慣性載荷。按最不利的原則，當(dāng)風(fēng)載荷和慣性載荷同向疊加時，為最危險狀態(tài)。

目前并無針對桅桿風(fēng)載荷計算的特定規(guī)范，因此，參考兩種相近的規(guī)范方法進行風(fēng)壓計算，并進行比較，出于安全考慮，取大值作為設(shè)計載荷。

1)根據(jù)文獻[3]對穩(wěn)性的要求，本船為沿海航區(qū)，單位計算風(fēng)壓p可按計算風(fēng)力作用力臂Z及航區(qū)插值獲得，見表2，可倒桅重心位置距離水線為13.65 m，可得p=368 Pa。

表2 單位計算風(fēng)壓p Pa

2)參考ABS MODU[4]的計算公式,p：

(1)

式中:f=0.611；Ch為高度系數(shù)，可倒桅重心高度距水線<15.3 m，故Ch取1.0；Cs為形狀系數(shù)，取1.5，Vk為風(fēng)速，沿海航區(qū)取Vk=22.3 m/s[5]。

由式(1)計算可得p=456 Pa。

風(fēng)載荷取以上兩種方法的較大值，即456 Pa。

在雙體船船體的波浪設(shè)計載荷中，加速度主要考慮垂直方向，而橫向和縱向加速度一般不考慮[6]。垂向加速度acg參考如下計算公式[7]。

(2)

式中：KT為船型系數(shù)，取0.8；g為重力加速度，取9.81 m/s2；BWL為吃水處片體寬度，取7.206 m；β為船底升角，取10°；H1/3為有義波高，在H1/3=6 m時，航速VH取14 kn。

由該式可得acg為2.87 m/s2，約為0.3g。

考慮到鋁合金的許用應(yīng)力較低，且可倒桅與船體結(jié)構(gòu)僅為鉸鏈連接，為充分保證結(jié)構(gòu)安全，在橫向和縱向額外考慮了0.3g的慣性載荷。

綜合考慮可倒桅自重、起升狀態(tài)受力、風(fēng)載荷及慣性載荷，確定6種組合工況，見表3。

表3 可倒桅載荷組合

2 分步強度分析

采用通用有限元軟Femap with Nastran對可倒桅結(jié)構(gòu)與船體結(jié)構(gòu)分別進行強度分析。

2.1 分析方法與評估標(biāo)準(zhǔn)

可倒桅與主船體結(jié)構(gòu)僅通過鉸鏈相連，因此，油缸的作用屬于結(jié)構(gòu)間的內(nèi)力，但本質(zhì)上兩個結(jié)構(gòu)是獨立的，如果放在整船模型中分析，則鉸鏈處的受力無法模擬。因此，考慮對可倒桅和船體結(jié)構(gòu)進行獨立分析，首先分析可倒桅結(jié)構(gòu)，得到可倒桅結(jié)構(gòu)約束處的支反載荷；其次將支反載荷反向施加到船體結(jié)構(gòu)上，進行強度分析，流程見圖4。

圖4 強度分析流程

可倒桅本體和船體上建結(jié)構(gòu)均為鋁合金，根據(jù)CCS規(guī)范[8-9]要求，雙體船板單元的等效應(yīng)力不大于200/KMPa，剪應(yīng)力不大于90/KMPa，細(xì)網(wǎng)格區(qū)域等效應(yīng)力不大于1.2×235/K，K為材料系數(shù)。對于5083-H116鋁合金材料，K取退火狀態(tài)，計算如下。

可得K=235/125=1.88。

許用應(yīng)力值見表4。

表4 鋁合金許用應(yīng)力

此外，客船的結(jié)構(gòu)對變形量十分敏感，受內(nèi)裝敷料精度的要求，甲板處的絕對變形量一般要求控制在8 mm以內(nèi)，相對變形量控制在L/400[10]，其中L為主梁的跨距。

2.2 有限元模型

該可倒桅屬于筒狀薄壁板梁結(jié)構(gòu)，其圍板、內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)、支座及船體結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)等均采用板單元模擬，主要結(jié)構(gòu)的面板、骨材和桅桿燈架等采用梁單元模擬，網(wǎng)格尺寸約50 mm×50 mm，鋁合金的彈性模量設(shè)置為7×104N/mm2，泊松比取0.33，質(zhì)量密度取2.7×10-9t/mm3。有限元模型見圖5。

圖5 可倒桅和船體結(jié)構(gòu)有限元模型

2.3 可倒桅本體強度分析

按照表3工況施加載荷，鉸鏈支座處按表5施加約束，其中，LC1～LC3為起升工況，考慮可倒桅卡阻或誤操作導(dǎo)致油缸達(dá)至最大推力狀態(tài)，因此，對圖2中鉸鏈D2進行固支約束；LC4～LC6中，可倒桅已升到指定位置，鎖緊機構(gòu)已打開，油缸不作用，因此，對所有基座進行簡支約束。計算得到結(jié)果見表6。

表5 可倒桅各工況邊界條件

表6 可倒桅結(jié)構(gòu)計算應(yīng)力值 MPa

從表6可以看出，可倒桅本體結(jié)構(gòu)最危險的工況為LC1(工況1)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在鉸鏈支座底部加強墊板和圍板上，見圖6。

圖6 可倒桅結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力位置云圖

工況1下可倒桅最大等效應(yīng)力和剪應(yīng)力的余量非常小，由于焊接對鋁合金強度的影響非常大，過高的焊接熱量直接會導(dǎo)致許用應(yīng)力的下降。出于安全與對施工精度的考慮，需要加強。原結(jié)構(gòu)底板通過加焊接墊板的方式緩解應(yīng)力集中，加墊板方式對施工非常方便，但是對于拉力和剪切不利，因此，考慮將墊板方式改為嵌入板，嵌入板厚度等于墊板與底部的厚度之和，見圖7。

圖7 支座位置墊板改嵌入板方案

重新分析，得到結(jié)果見表7。

表7 墊板改嵌入板后應(yīng)力值對比 MPa

對比分析，可以看出，修改設(shè)計之后，工況1下的等效應(yīng)力和剪應(yīng)力均有效下降，具體見圖8、9。說明在等厚度情況下，使用嵌入板的應(yīng)力效果要優(yōu)于墊板。

圖8 原方案應(yīng)力云圖

圖9 修改方案應(yīng)力云圖

2.4 船體結(jié)構(gòu)強度分析

船體結(jié)構(gòu)的強度分析主要是針對甲板及反面加強，因此，在遠(yuǎn)離分析區(qū)域位置進行簡支約束；載荷來自于可倒桅各工況下支座位置的支反力和支反彎矩，將其分別施加在船體支座結(jié)構(gòu)上，分析、計算結(jié)果見表8。

表8 船體結(jié)構(gòu)計算應(yīng)力和變形值

其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況1和工況6。工況1應(yīng)力水平較大，是因為可倒桅起升瞬間的載荷非常大，導(dǎo)致了局部應(yīng)力集中；工況6應(yīng)力也較大，這是因為在舷風(fēng)工況下，支座受到了一定的橫向彎矩，而連接位置的甲板骨材為縱骨架式結(jié)構(gòu)，橫向結(jié)構(gòu)僅由局部的肘板支撐，因此橫向強度相對較弱，造成了高應(yīng)力。由此可見，客船在航行過程，可倒桅所受風(fēng)壓的影響在強度分析中不可忽略。另外，甲板反面支撐結(jié)構(gòu)的最大變形為5 mm，此處的強梁跨距約為2 150 mm，因此，絕對變形和相對變形滿足要求。應(yīng)力和變形見圖10、11。

圖10 工況1甲板應(yīng)力和變形云圖

圖11 工況6甲板反底應(yīng)力和變形云圖

通過2.3與2.4節(jié)的計算分析判定，可倒桅本體和船體結(jié)構(gòu)滿足鋁合金強度和內(nèi)裝設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)安全并滿足對變形控制的要求。

3 全船有限元計算

在全船結(jié)構(gòu)模型中建立可倒桅結(jié)構(gòu)，開展整船強度分析，全船模型見圖12。

圖12 整船結(jié)構(gòu)有限元模型

依據(jù)文獻[8]對該模型施加整船載荷與邊界條件。整體載荷包括垂向彎矩、橫向彎矩、橫向轉(zhuǎn)矩。其中垂向彎矩是靜水彎矩和波浪彎矩的總和，各載荷幅值見表9。

表9 雙體船整船載荷

由于整船載荷中沒有考慮風(fēng)載荷，計算中在每種整體載荷上對可倒桅分別施加4個方向上的風(fēng)載荷，共有24種工況。邊界條件的施加見圖13，圖中0表示約束該方向自由度。

圖13 邊界條件(主船體結(jié)構(gòu))

通過24種工況計算，得到可倒桅結(jié)構(gòu)及周邊的最大應(yīng)力與主導(dǎo)風(fēng)況見表10。

表10 雙體整船有限元計算最大應(yīng)力

從表10可以看出，無論是處于何種整船載荷下，可倒桅本身或者四周的最大應(yīng)力都在28 MPa左右，且主導(dǎo)風(fēng)向都為舷風(fēng)，最大應(yīng)力發(fā)生位置都在甲板反底的骨材面板上。這說明，整船載荷對頂甲板上可倒桅結(jié)構(gòu)的影響很小，這也證實了1.1節(jié)中不考慮總縱影響的準(zhǔn)確性。

另外，對比表6和表8中的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在分步情況下，局部強度分析的結(jié)構(gòu)應(yīng)力比整船計算下的應(yīng)力要大得多，說明可倒桅結(jié)構(gòu)及其船體甲板支撐結(jié)構(gòu)是由局部強度決定的，同時也表明，將可倒桅與船體支撐結(jié)構(gòu)分開考慮是合理的，如將其納入整船評估，則極有可能會錯過主導(dǎo)工況，而導(dǎo)致評估結(jié)果沒有意義。

4 結(jié)論

1)關(guān)于可倒桅與船體結(jié)構(gòu)強度分析，可以采用分步評估的方法，先對可倒桅本體結(jié)構(gòu)進行分析，然后將在邊界獲得的支反載荷施加到船體結(jié)構(gòu)上，對船體結(jié)構(gòu)進行強度分析。

2)可倒桅位于客船的頂甲板時，整船載荷對其結(jié)構(gòu)的影響很小，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力由局部強度決定。

3)可倒桅升起過程中油缸的升起瞬間是主導(dǎo)工況；封閉式可倒桅的分析中需要考慮風(fēng)載荷的影響，橫向風(fēng)壓對縱骨架式甲板支撐結(jié)構(gòu)影響較大。

4)對于鋁合金材料，許用應(yīng)力值較小，可倒桅本體結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力出現(xiàn)在鉸鏈支座位置，該位置需要加強，采用嵌入板的效果比貼板效果要好。