谈机舱花钢板单元框架优化设计

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摘要：在现代化造船模式不断进行改进的背景下，船舶制造企业的生产制造方式也发生了重大变革。船舶机舱进行单元框架设计可有效缩短造船周期，是推进现代化造船的重要手段之一。文章详细介绍了如何利用有限元分析方法对机舱花钢板单元进行受力分析，从而确定更合理的型材规格，达到了降低成本、减轻空船重量的目的。

关键词：机舱花钢板；单元框架；有限元分析

引言

从2010年起，国际金融危机的对造船业的影响开始慢慢凸显，在随后的几年间，船舶市场的寒冬席卷而来，尤其对于我国的船舶行业形成了不小的冲击。据中船工业研究中心统计，从2009年到2016年的七年间，在我国遭遇停产和倒闭的船厂约有140多家，被兼并或收购的船厂也有大约90多家。中国造船业经历了一场前所未有的大洗牌，为了能够平安度过危机，多家船厂将转变发展思路，提高产品设计、提升建造能力等方式作为应对寒冬的抵御措施。但越来越多的船厂意识到，无论采用哪种改革方式，降低企业运行成本都是当前最迫切的需要，因此，提高生产效率，控制生产成本等问题得到了更多的关注度[1]。由于机舱单元模块化设计实现了多工种、不同工序的并行作业，改善了施工环境，缩短了施工周期，从而有效降低了生产成本。因此，对单元模块化生产设计的研究脚步从未停止过，单元模块设计也从单一的管系单元设计发展成为如今集管系、管支架、风管、花钢板、设备、设备基座以及电缆托架与一身的舾装单元。单元框架的样式也变得多样化，无法寻求统一的标准进行单元框架的选材，大部分都是由设计员凭经验为之，这就无形中给生产带来了隐患，框架强度不足会引起振动或断裂，框架强度太强增加了空船重量，同时也造成了材料的浪费。甚至有的时候会由于船东的个人意愿来修改框架，造成现场返工。因此，为单元框架选择合适的型材就显得尤为重要[2]。

1机舱花钢板单元框架选型优化设计

以某船机舱主甲板倒挂单元为例，由于此船3台发电机正上方没有结构甲板，但需要在此处布置主机及发电机吊梁，以及通往机舱棚的通道、主排气管的检修平台等，因此需要以四周的结构为支撑，设置长7m宽8m的平台，并将吊梁、管路、栏杆、格栅、电缆托架、灯架等舾装件组合在一起做成主甲板倒挂单元。吊梁下端需要设置几处吊点，可以确保吊梁受力平衡。综合吊梁理论，对有限元强度进行规范化计算。吊梁自重尽量轻化，高强度工字钢的屈服强度约为3555N/mm2，普通钢的屈服强度大约为235N/mm2，相比较而言，在能够保证承担起主机及发动机负荷的情况下，使用高强度工字钢进行吊梁可以有效降低其自重。相关吊梁的布置如图1所示。在极限工况下，主框架下的主机吊梁需要承受3t压载，同时3台发电机吊梁均需要承受1t的压载，考虑到主机和发电机吊梁均由工字钢制作，其承受载荷的能力胜于角钢和槽钢[3]，因此主框架同样采用工字钢搭建，根据设计经验，设计者预选用20#A的工字钢作为单元框架的原材料。有限元方法是20世纪中叶程电子计算机诞生之后，在计算数学、计算力学和计算工程科学领域里诞生的最有效的计算方法。经过40年的发展不仅使各种不同的有限元方法形态相当丰富，理论基础相当完善，而且已经开发了一批使用有效的通用和专用有限元软件，使用这些软件已经成功地解决了整机、机械、土建、宇航、核能、气象、水文等领域众多的大型科学和工程计算难题。要想进行有限元分析，必须具有有限元分析软件[4]。在机舱的静、动态特性的分析中，为了更合理的选取制作主框架的型材规格，我们将借助有限元分析软件ANSYSworkbench14.0对主框架在极限工况下进行受力分析以及强度校核。有限元分析法除了可以针对机舱静力进行分析，也可对结构的动态响应及振动情况进行有效分析，即在负荷作用下物体的应力及变形相关问题。ANSYS软件是目前使用最广泛的商用有限元软件之一。我们分别选取12#、16#和20#A3种规格的工字钢，利用有限元分析软件对主框架进行建模如图2所示：

1.1变形分析

在载荷的作用下，3种规格的工字钢变形情况如图3所示。通过上述分析可得，12#工字钢最大变形量为15.997mm，16#工字钢最大变形量为6.1479mm，20#A工字钢最大变形量为2.3015mm，根据建筑工程标准，取挠度系数为1/500，L=7000mm，得出工字钢允许最大变形量为14mm，因此12#不能满足使用要求，16#工字钢和20#A工字钢均满足要求。

1.2等效应力分析

3种不同规格工字钢的等效应力情况为：规格为12#的工字钢最大应力为136.91Mpa，规格为16#的工字钢最大应力为69.446Mpa，规格为20#A的工字钢最大应力为32.102Mpa，取安全系数1.25，则三者均小于Q235A级钢许用应力160Mpa，因此均满足要求。综上可知，选用16#的工字钢做单元框架应更为合理，搭建此单元框架共用材料85m，这比原来预想的采用20#A的工字钢要减轻重量630kg，节省材料成本约2500元。

2结语

通过受力分析可以看出，单元框架规格的选型设计可以借助更科学的手段来进行优化，使其在满足使用要求的基础上选择更合适的型材规格。在机舱单元的设计过程中，不仅可以通过受力分析来选择型材，也可以通过分析确定更合理的吊梁支撑腿位置，甚至更有效的搭建形式，并通过实践来进行反向检验，获取更实用的数据供设计员参考。使铁舾设计更高效。

参考文献：

[1]李德派,冯国强.1750TEU集装箱船机舱双层底分段精度控制[J].广东造船,2020,39(04):64-66+84.

[2]郭昂,王博,申高展,等.大尺度双体船机舱通风系统的数值模拟分析和优化设计[J].舰船科学技术,2020,42(01):75-79.

[3]宫旭辉,薛钢,李冲,等.集装箱船用高强度厚钢板止裂韧性指标值的初步实验验证[J].材料开发与应用,2017,32(06):4-7.

[4]刘锐,王铭,张健,等.208000DWT散货船机舱总段整体吊装强度有限元分析[J].造船技术,2016,(03):62-68+95.

作者：夏东蕊 单位：南京金陵船厂有限公司