談機艙花鋼板單元框架優(yōu)化設計
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摘要：在現(xiàn)代化造船模式不斷進行改進的背景下，船舶制造企業(yè)的生產(chǎn)制造方式也發(fā)生了重大變革。船舶機艙進行單元框架設計可有效縮短造船周期，是推進現(xiàn)代化造船的重要手段之一。文章詳細介紹了如何利用有限元分析方法對機艙花鋼板單元進行受力分析，從而確定更合理的型材規(guī)格，達到了降低成本、減輕空船重量的目的。
關鍵詞：機艙花鋼板；單元框架；有限元分析
引言
從2010年起，國際金融危機的對造船業(yè)的影響開始慢慢凸顯，在隨后的幾年間，船舶市場的寒冬席卷而來，尤其對于我國的船舶行業(yè)形成了不小的沖擊。據(jù)中船工業(yè)研究中心統(tǒng)計，從2009年到2016年的七年間，在我國遭遇停產(chǎn)和倒閉的船廠約有140多家，被兼并或收購的船廠也有大約90多家。中國造船業(yè)經(jīng)歷了一場前所未有的大洗牌，為了能夠平安度過危機，多家船廠將轉變發(fā)展思路，提高產(chǎn)品設計、提升建造能力等方式作為應對寒冬的抵御措施。但越來越多的船廠意識到，無論采用哪種改革方式，降低企業(yè)運行成本都是當前最迫切的需要，因此，提高生產(chǎn)效率，控制生產(chǎn)成本等問題得到了更多的關注度[1]。由于機艙單元模塊化設計實現(xiàn)了多工種、不同工序的并行作業(yè)，改善了施工環(huán)境，縮短了施工周期，從而有效降低了生產(chǎn)成本。因此，對單元模塊化生產(chǎn)設計的研究腳步從未停止過，單元模塊設計也從單一的管系單元設計發(fā)展成為如今集管系、管支架、風管、花鋼板、設備、設備基座以及電纜托架與一身的舾裝單元。單元框架的樣式也變得多樣化，無法尋求統(tǒng)一的標準進行單元框架的選材，大部分都是由設計員憑經(jīng)驗為之，這就無形中給生產(chǎn)帶來了隱患，框架強度不足會引起振動或斷裂，框架強度太強增加了空船重量，同時也造成了材料的浪費。甚至有的時候會由于船東的個人意愿來修改框架，造成現(xiàn)場返工。因此，為單元框架選擇合適的型材就顯得尤為重要[2]。
1機艙花鋼板單元框架選型優(yōu)化設計
以某船機艙主甲板倒掛單元為例，由于此船3臺發(fā)電機正上方?jīng)]有結構甲板，但需要在此處布置主機及發(fā)電機吊梁，以及通往機艙棚的通道、主排氣管的檢修平臺等，因此需要以四周的結構為支撐，設置長7m寬8m的平臺，并將吊梁、管路、欄桿、格柵、電纜托架、燈架等舾裝件組合在一起做成主甲板倒掛單元。吊梁下端需要設置幾處吊點，可以確保吊梁受力平衡。綜合吊梁理論，對有限元強度進行規(guī)范化計算。吊梁自重盡量輕化，高強度工字鋼的屈服強度約為3555N/mm2，普通鋼的屈服強度大約為235N/mm2，相比較而言，在能夠保證承擔起主機及發(fā)動機負荷的情況下，使用高強度工字鋼進行吊梁可以有效降低其自重。相關吊梁的布置如圖1所示。在極限工況下，主框架下的主機吊梁需要承受3t壓載，同時3臺發(fā)電機吊梁均需要承受1t的壓載，考慮到主機和發(fā)電機吊梁均由工字鋼制作，其承受載荷的能力勝于角鋼和槽鋼[3]，因此主框架同樣采用工字鋼搭建，根據(jù)設計經(jīng)驗，設計者預選用20#A的工字鋼作為單元框架的原材料。有限元方法是20世紀中葉程電子計算機誕生之后，在計算數(shù)學、計算力學和計算工程科學領域里誕生的最有效的計算方法。經(jīng)過40年的發(fā)展不僅使各種不同的有限元方法形態(tài)相當豐富，理論基礎相當完善，而且已經(jīng)開發(fā)了一批使用有效的通用和專用有限元軟件，使用這些軟件已經(jīng)成功地解決了整機、機械、土建、宇航、核能、氣象、水文等領域眾多的大型科學和工程計算難題。要想進行有限元分析，必須具有有限元分析軟件[4]。在機艙的靜、動態(tài)特性的分析中，為了更合理的選取制作主框架的型材規(guī)格，我們將借助有限元分析軟件ANSYSworkbench14.0對主框架在極限工況下進行受力分析以及強度校核。有限元分析法除了可以針對機艙靜力進行分析，也可對結構的動態(tài)響應及振動情況進行有效分析，即在負荷作用下物體的應力及變形相關問題。ANSYS軟件是目前使用最廣泛的商用有限元軟件之一。我們分別選取12#、16#和20#A3種規(guī)格的工字鋼，利用有限元分析軟件對主框架進行建模如圖2所示：
1.1變形分析
在載荷的作用下，3種規(guī)格的工字鋼變形情況如圖3所示。通過上述分析可得，12#工字鋼最大變形量為15.997mm，16#工字鋼最大變形量為6.1479mm，20#A工字鋼最大變形量為2.3015mm，根據(jù)建筑工程標準，取撓度系數(shù)為1/500，L=7000mm，得出工字鋼允許最大變形量為14mm，因此12#不能滿足使用要求，16#工字鋼和20#A工字鋼均滿足要求。
1.2等效應力分析
3種不同規(guī)格工字鋼的等效應力情況為：規(guī)格為12#的工字鋼最大應力為136.91Mpa，規(guī)格為16#的工字鋼最大應力為69.446Mpa，規(guī)格為20#A的工字鋼最大應力為32.102Mpa，取安全系數(shù)1.25，則三者均小于Q235A級鋼許用應力160Mpa，因此均滿足要求。綜上可知，選用16#的工字鋼做單元框架應更為合理，搭建此單元框架共用材料85m，這比原來預想的采用20#A的工字鋼要減輕重量630kg，節(jié)省材料成本約2500元。
2結語
通過受力分析可以看出，單元框架規(guī)格的選型設計可以借助更科學的手段來進行優(yōu)化，使其在滿足使用要求的基礎上選擇更合適的型材規(guī)格。在機艙單元的設計過程中，不僅可以通過受力分析來選擇型材，也可以通過分析確定更合理的吊梁支撐腿位置，甚至更有效的搭建形式，并通過實踐來進行反向檢驗，獲取更實用的數(shù)據(jù)供設計員參考。使鐵舾設計更高效。
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作者：夏東蕊 單位：南京金陵船廠有限公司