大型客滚船艏门支撑结构强度分析和优化设计

葛珅玮，朱红娟，罗广恩，周文

(1.江苏航运职业技术学院，江苏 南通 226010；
2.上海海事大学商船学院，上海 201306；
3.招商局邮轮制造有限公司，江苏 南通 226116；
4.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

艏门位于客滚船的最前端，球鼻艏之上，对称开启，打开艏门后，跳板与码头或陆地连接，使车辆可以开上开下，替代了传统的吊装装卸方式，提高了装卸的效率，[1-2]。客滚船艏门与船体结构和坡道装置间的运动协调关系较为复杂[3]。艏门的形状受船体线型影响，尺寸也需满足艏跳板的收放，形状多为特殊弧形[4]，该弧形与船体外轮廓匹配。船体与艏门结构连接较为复杂，且补强空间十分有限，因此给结构设计带来了一定的困难。基于意大利船级社(以下称Rina)规范，对某大型客滚船与艏门连接的艏部船体结构进行有限元分析，分析船体与艏门连接处结构的强度，并对连接处的局部结构进行优化设计。

某大型客滚船的主尺参数如下。

垂线间长Lpp=218.00 m，型宽B=33.30 m，

型深D=9.50 m，设计吃水T=7.10 m，

设计航速V=20 kn，满载乘客1 200人。

该船的艏门位于干舷甲板和最大载重线之上、防撞舱壁之前以上。艏门与船体连接有以下几种方式。

1)紧固装置。使门保持关闭，防止其绕铰链转动。

2)支持装置。将门承受的外载荷或内载荷传递给紧固装置，再从紧固装置传递给船体结构，或将门承受的载荷传递给船体结构除紧固装置以外的一种装置，如绞链、制动器或其他固定装置。

3)锁紧装置。指将紧固装置锁紧在关闭位置的一种装置。

艏门启闭过程中，启闭油缸时应考虑风、水流力、自重和惯性力，受力状况比较复杂。艏门承受的各种复杂载荷最终通过上述3种连接点，传递给船体结构。

艏门利用铰接于门上和船上的水平连杆作水平移动开启，艏门对称开启后，通过机械固定的方法将门固定在开启位置，见图1。

图1 艏门打开状态

艏门一般直接从专业的设备厂家采购，因此艏门结构本体一般不做额外校核与优化。但是支撑艏门的船体结构是由船舶建造单位设计，因此需要对此处结构进行强度分析，尤其是船艏与艏门连接的局部结构必须能够承受艏门在工作中的各种载荷，这是艏门结构强度分析的重点区域。

在对艏部船体结构进行强度分析时，一般采用分步求解的方法[5]，首先须计算艏门本体结构对船体结构产生的作用载荷，然后再将该作用载荷施加在艏部船体结构上，即可分析船体艏部的结构强度，并根据计算结果最终实现优化设计。

2.1 艏门对船体结构的作用力

艏门的设计外压力pe计算如下[5]。

pe=2.75λCH(0.22+0.15tanα)·

(1)

式中：λ为航区系数，取λ=1；
CH为系数，当L≥80 m时，取CH=1；
α为计算点的外飘角，α=44°；
β为计算点的入射角，β=35°(见图2)；
V为航速，取V=20 kn；
L为船长且取值不大于200 m，实际船长为218 m，取L=200 m。

最终可得pe=174.9 kN/m2。

各方向的设计外力计算如下。

(2)

式中，Ax,Ay,Az分别为横向、纵向、垂向的投影面积，见图2。

图2 艏门参数(单位：mm)

由此求得：Fx=9 640.5 kN；
Fy=10 754.6 kN；
Fz=7 569.7 kN。

在计算作用在有效紧固或支持构件上的反力时，须考虑与门的自重和外载荷同时作用，可以得到各紧固或支撑构件的工作中的最大作用力。艏门单门重51 t。基于有限元方法，利用局部模型可计算出艏门和船体所有连接点X、Y、Z3个方向的支反力。

此外，紧固装置以及支持装置的布置必须采用具有冗余度的设计，以应对任何一个紧固装置或支持装置发生失效时，剩下的装置仍然能够承受艏门的作用力，防止结构破坏。此时工况为极限工况，极限工况下材料断裂破坏须达到强度极限，依照规范要求，许用应力相比一般工况可提高20%[6]。

综合以上考虑，基于规范的要求，在局部载荷下，具体载荷工况组合如下。

工况1。艏门关闭，Fx，Fy和Fz作用在2扇门上。

工况2。艏门关闭，0.7Fx和0.7Fz作用在2扇门上，Fy仅作用在左侧门上。

工况3。艏门关闭，0.7Fx和0.7Fz作用在2扇门上，Fy仅作用在右侧门上。

工况4。艏门打开，各液压设备支撑载荷。

工况5。艏门关闭，冗余设计，工况1中任意移除一个紧固装置。

工况6。艏门关闭，冗余设计，工况2中任意移除一个紧固装置。

工况7。艏门关闭，冗余设计，工况3中任意移除一个紧固装置。

工况5～工况7是在工况1～工况3基础上进行冗余设计后的工况，统称为冗余工况。艏部船体各连接与支撑供21个点，这些点及其周边位置都需要进行强度校核。

2.2 船体梁载荷对艏门的作用力

一般艏门是在码头且较为风平浪静的情况下使用，因此，可以忽略由波浪引起的局部动压力、波浪弯矩等载荷。但客滚船艏门在开闭过程中时，艏部船体除了受到局部压力、车辆载荷、自重等作用外，船体梁还受到静水弯矩的影响。艏部结构远离船舯，总纵弯矩影响较小，依照Rina规范，这部分载荷可以忽略。但是对于目标客滚船来说，艏门在开闭过程中，作用范围较大，纵向达到约20多m，这部分载荷对上述局部载荷可能会存在一定的影响。因此，在规范要求的上述7种工况的基础下，对艏部模型，在规范要求的载荷基础上，额外施加相应的静水弯矩，以分析总纵静水弯矩对艏门工作时的影响程度。新增的工况分别定义为工况8～14。

利用Femap软件建立船体结构艏部的局部模型，将计算所得支反力施加在船体对应的位置。模型范围纵向选取FR241至最艏端，横向从右舷外板到左舷外板，垂向从底部甲板至值7甲板。对铰链的支座进行建模。甲板、外板、舱壁、横梁腹板、纵桁腹板等主要结构采用板单元模拟，纵骨、肋骨、横梁面板、纵桁面板、支柱等采用梁单元建模。为了能准确地计算艏门操作装置下底座及船体结构的应力响应，对于铰链、支座等受力处结构采用细网格建模，细网格尽可能采用四边形单元，单元大小约为50 mm×50 mm，部分铰链结构采用多点约束(MPC)连接，以方便施加载荷。艏部有限元模型见图3。

图3 首部有限元模型

艏门处的船体支持结构应能承受各种支撑铰链装置的设计载荷。分别将7种工况下计算的支反力施加到船体结构对应的位置，对每一种工况进行计算校核。

3.1 约束的选取

工况1～7在局部模型的艉端施加自由支持的约束，即X，Y，Z方向位移固定，转角释放。

3.2 许用衡准

艏门的主要构件、紧固装置和支持装置的尺寸按意大利船级社规范[5]设计，粗网格(网格尺寸不大于纵骨间距s×s)下许用等效应力σVM满足

(3)

式中：RY为材料系数，235/k，k取0.72。γR为材料安全系数，取1.1；
γm为阻抗安全系数，取1.02。

对于50 mm×50 mm的细网格，不跟焊缝连接的单元许用应力提高至

(4)

式中：a取1.6。

对于冗余LC5～LC7，许用衡准提高20%，许用应力衡准见表1。

表1 许用衡准 MPa

3.3 计算结果与讨论

艏部船体结构的原始设计见图4。前文思路，对艏门支撑结构进行计算，得到结构的最大应力见表2。

图4 原始设计

表2 最大应力 MPa

计算结果表明，结构强度不满足要求，尤其是在在冗余工况下，区域1和区域2应力集中十分明显，其中区域2的应力最大值超过许用应力51%，出现在左舷冗余设计工况(LC5～LC7)下，该工况的应力云图包络见图5。

图5 左舷包络应力云图

通过对应力不满足点的分析发现，高应力都集中在艏门的连接支撑位置，大部分结构连接处通过增加板厚、或增大连接背部加强构件尺寸等方法，即能满足规范要求。艏门底下结构突变处的圆弧和液压装置基座边上的圆弧应力集中处，因结构空间限制，不能增加额外结构，在增加板厚后，依然超标，需进一步补强分析。

对于工况8～14，需要考虑弯矩的影响，基于位移法原理，在艏部模型的艉端刚性固定，同时在工况1～7的基础之上，在模型的尾部强框架处施加该位置的静水弯矩变化值。

计算求解得到工况8～14的应力结果，为与工况1～7进行比较，通过局部强度计算，选取3处典型且应力较大区域的进行比较对比，3处典型位置区域见图6。

图6 目标区域位置

其中，区域1处的开孔为锁紧装置上伸缩杆的操作空间，开孔底下是锁紧装置的基座，见图4。区域2处位于整个艏门与主船体交界处的前部，结构有突变，见图4，应力集中较为明显。区域3是整个艏门与主船体的交界处后部的横框架处，此处属于船体结构，横向开设一个大型的通行门口，应力水平也较高。通过对比，计算结果见表3。

从表3可见，除了LC4工况，各区域的应力正在静水弯矩的作用下，应力均有降低，区域1平均降低6.2%，区域2平均降低12.0%，区域3平均降低12.0%。区域1所在高度值距离该剖面中和轴位置较近，因此，影响较小，而区域2和3高度位置相当，相比区域1距中和轴较远，因此，影响程度较大。工况4为艏门打开的工况，该工况下，船体局部结构本身应力水平很低，在叠加船体梁载荷后，应力有所增加，应力增加的绝对数据不大，相比许用应力不到12%，但由于原来的基础应力值很小，相比时分子较小，因此，造成影响的比例很大。另外，由于该工况的整体应力水平较低，不对结构是否加强起决定性作用，因此，在强度分析中可忽略不计。

表3 应力对比

由此可见，艏门支撑构件在考虑静水弯矩载荷后，整体应力水平会降低。所以按规范要求的方法进行计算校核，计算结果相对保守，偏安全。

图5中区域1的开孔处的圆弧结构应力水平较高，需进行优化设计；
区域2的圆弧不满足强度要求，需要进行结构补强。

5.1 区域1优化设计

将区域1处的板厚由15 mm增加至25 mm，有限元计算结果显示，自由边应力依然集中较明显，在LC5～LC7冗余设计工况下，最大应力在角隅局部集中现象仍十分明显，最大应力接近许用值，见图7。此时25 mm的板厚已经达到了周围板厚的1.7倍，如果再增加板厚对制造和成本控制十分不利，因此，不能仅通过增加板厚来降低结构应力。

图7 区域1原方案LC5-LC7工况最大应力分布

从该孔的应力分布可以看出，离自由边距离越远，应力水平越低。因此，考虑将该孔由475 mm×220 mm×R50 mm改为475 mm×420 mm×R150 mm。一定范围内扩大开孔不影响锁紧装置的功能，同时还能使船舶重量更轻。计算得到最大应力为416 MPa，见图8。

图8 区域1优化方案LC5-LC7工况最大应力分布

对比原始设计的应力结果，见表4。

表4 结构优化前后最大应力对比 MPa

从表4可以看出，增大开孔圆弧半径后，各工况下的最大应力水平均降低了18%左右，降低比例相当。这说明，通过扩大开孔，将过渡的圆角半径变大，可以有效地避免自由边的应力集中，使得应力过渡更为顺畅。虽然区域1处还有增加板厚的空间，但增加圆弧半径的方法更为简单有效。

5.2 区域2补强设计

区域2处位于整个艏门与主船体的交界突变处，该处圆弧半径R=200 mm，在其自由边与艏门连接的边缘处，应力集中很明显。该结构因空间的限制，不具备增加面板的条件。在不改变结构形状的方式之下，首先考虑增加板厚，该修改方案相对简单也最为直接，将板厚由25 mm逐渐增加至85 mm，取5个值，每隔15 mm为一档。计算结果见表5。

表5 区域2板厚改变应力变化

由表5可见，随着板厚的逐渐增大，应力逐渐下降。当板厚增加至55～70 mm之间，在其他形式不变的条件下，应力满足强度要求。但是，该处周围板厚都是25 mm，如果此处板超过50 mm，则需加装额外的焊接过渡板，且此处空间有限，增加过渡板不利制造。因此，板不应超过50 mm。

此外，随着板厚的增加，应力水平下降的速率是不断降低的，呈现出幂指数下降的规律，如图9所示，当板厚超过55 mm后，每增加1 mm，应力降低不足7 MPa，虽然理论上，板厚可以超过100 mm，但当板厚超过60 mm后属于极厚板，极厚板的价格随着板厚增加呈指数上升，不利于成本控制。只有在万不得已的情况才考虑使用极厚板。

图9 应力随板厚的变化

从区域1的应力优化分析结果上看，通过该改变角隅圆弧的大小可以降低应力集中。因此，也可以通过该方法，降低区域2处角隅自由边的应力水平。由于区域2的空间非常有限，受密封圈的限制，此处上下空间最大500 mm，即圆弧最大增加至500 mm。为便于比较，在100～500 mm范围内选择5个大小的圆弧作为分析对象，每隔100 mm为一档，均在25 mm板厚基础上进行分析，计算结果见表6。

表6 区域2圆弧增加应力变化

由表6可见,减小圆弧半径，自由边的应力会增加；
而增大圆弧半径，自由边的应力会降低，这点与区域1的结论一致。另外，随着圆弧半径的不断增大，每增大1 mm半径对应力的降低程度是不断下降的，呈现出幂指数的下降态势，见图10。

图10 应力随圆弧半径的变化

当圆弧增大至400 mm时，再增加半径，每增加1 mm半径对应力的降低不到0.3 MPa。由此可见，如果不受空间限制，圆弧增加到一定程度后，对应力降低是没有效果的。该规律与前面板厚的增加对应力的影响较类似。此外，从应力水平上看，在板厚25 mm时，圆弧半径增加到空间极限500 mm，应力为705 MPa，仍不满足强度要求。由此可见，仅通过增大角隅处圆弧半径无法满足结构强度的要求。

通过以上分析，可以判断，降低区域2处的应力水平，可定义2个变量参数——板厚t与圆弧半径R。这2个变量参数对应力水平的影响程度是相似的，即增大或者降低这2个变量，对应力水平的影响是降低或者增大的。因此，应力σ可以认为分别是板厚t与圆弧半径R的单调递减函数，令σ=f(t,R)，则有：

(5)

相对板厚来说，增大圆弧半径对成本的影响几乎为零，因此，当R取区间内最大值时，应力σ可达最小值；
同样，板厚t取最大值时，能使应力达到最小值。考虑成本、安全余量,取t=50 mm，作为最终补强方案。从表5与表6的应力降低的绝对数据来看(圆弧增大至500 mm，降低136 MPa；
板厚增加至40 mm，降低168 MPa)，最终的应力会满足强度要求，且有一定余量。

计算得到各工况下的应力与原方案设计对比见表7。

表7 区域2补强前后最大应力对比 MPa

由表7可见，补强过后，最大应力为488 MPa，仍出现在冗余设计工况，结构强度满足要求，相比初始设计，降低应力约42%，并留有15%的许用应力余量。此外，无论是冗余工况还是一般工况，各工况的最大应力都降低约40%左右，这个规律与表4一致。可见，在结构分析时，同一个改进方案对不同工况最大应力的影响程度几乎是相同的，因此，在补强或优化中只需针对主导工况进行分析，主导工况满足要求，其他工况也会满足要求，这对于多工况下复杂结构的补强方案设计十分有利，可以节约较多的时间和成本。

1)客滚船艏门支撑结构强度分析的主导工况为冗余设计工况，艏门打开工况应力最小。

2)除开艏门打开工况，静水弯矩载荷可降低艏部结构的应力，Rina规范仅考虑局部载荷的做法，相对保守。

3)客滚艏门与主船体的交接突变处等圆弧，其应力与板厚t和圆弧半径R呈单调递减函数关系，且应力降低速率随二者的增加而降低，呈幂指数关系；
局部补强时，在满足规范对开口构件的设计等要求下，优先考虑增大圆弧，对成本控制有利。

4)对多工况下复杂结构的补强或者优化时，可先利用主导工况进行方案设计，在满足要求、确定方案后，再对完整工况进行校核。

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