陈正云

（上海外高桥造船有限公司 上海200137）

引 言

船舶舾装产品的质量虽然只占全船空船质量的5%～8%，但也存在着“减重”的问题。造成我国船舶比日韩重的原因有许多。有材料方面，国外用的钢材强度比我们好；有结构设计上的问题，我们的裕度大；也有设备上的问题，我国的船舶配套设备无论是标准产品还是新研制产品，大多带有“傻大笨粗”的痕迹，安全系数偏高，强度裕度偏大［1］。舾装产品减重一方面有助于减少原材料消耗，降低成本。另一方面也有利于减轻船舶空船质量，降低航运公司船舶运营成本。设计是源头，因此船舶舾装减重要从设计抓起。

1 铁舾件设计现状分析

1.1 市场因素

前几年船市空前火爆，船厂和船舶配套企业的业务普遍兴旺，产品供不应求，企业普遍缺乏产品革新的动力。而现在船市低迷，船配企业业务也受到很大影响，相互之间的竞争日益激烈，在这种情况下，产品质量就成为竞争取胜的关键因素，苦练内功、提升产品技术含量成为许多企业的必然选择。对于舾装来说，产品轻质化正是其提升产品质量的最佳选择之一。

1.2 设计人员设计理念

对于舾装铁舾件设计来说和选用不同尺寸型钢，不同通径的管子等是设计人员要掌握的一项技能。而目前设计人员往往凭借经验选取型材尺寸。在实际建造过程中若没有问题就一直延续下去，发现问题再给予加强或更换。这样造成的结果就是：有可能选用了规格过大的型材，导致成本的上升和铁舾件的增重。

相对全船质量而言，舾装产品仅是“小头”，因此我们即使知道我们的产品比日韩同类产品笨重、费料，也没引起重视。然而这种粗大、笨重、复杂的产品已经与节能减排，建设节约型社会的大环境不相适应。另外，铁舾件的设计一直秉承着选材规格高、结构形式复杂的理念，以达到提高强度的目的。在遵循规范的前提下，普遍存在选材过于保守以及余量层层加码的习惯，这就使设计产品自重偏大。同时，设计人员经验不够丰富，计算精准度尚待提高，也是导致产品自重偏大的重要原因［2］。

2 优化设计方法

铁舾件的轻型化就是在满足铁舾件功能强度的前提下，尽量使用规格较小的材料或者优化型式等方法制作，从而达到节省材料，降低成本减轻空船质量的目的。在目前的设计基础上，选取部分典型节点利用有限元进行强度分析，优化设计，选取合适的型材。以点带面，进行推广，摆脱紧紧依靠经验设计的不准确性。

2.1 优化铁舾件的界定

目前拟定优化的铁舾件有以下几种：小车过道、人行过桥、锚绞机操作平台、备锚基座、前桅、雷达桅、舱内平台、舵机操作平台、首尾尖舱搁架、各类管系支架托架等。另外按照设备工作区域不同，其工作环境也有所不同。有开敞区域、半开敞区域、室内以及靠近主机和螺旋桨等激振源附近区域等。工作环境不同对铁舾件要求会有所不同，有些不仅仅要考虑强度问题，也要重点考虑振动问题。比如舵机舱操作平台、前桅、雷达桅等［3］。

2.2 优化型材方案

目前我厂所用铁舾件常用材料为：角钢L75×75×8（单位：mm）。一直以来，舾装设计人员比较关注的是安全性和稳固性，对于质量控制和成本因素考虑得比较少。因此，设计人员在选型时，选取的规格较高，设计的铁舾件较笨重，不仅增加了材料成本，也给现场施工增加了一定的难度。

在优化设计初期先向组内设计人员征询需优化铁舾件清单，制定相应优化计划，利用有限元软件计算分析，逐步优化各类铁舾件。经过反复校核其强度以及部分铁舾件的振动，并结合不同项目实施过程中的探索和总结，分别尝试用较小规格的角钢替代原来L75×75×8的角钢，选取部分优化铁舾件，替换情况如表1所示。

表1 部分铁舾件型材替换表

2.3 优化设计实例

散货船是我公司主打产品，后续也有相当数量的订单。此次在原180KBC的设计基础上进行优化，并将有限元计算数据和报告整理归类，为优化型材在后续船上的推广和运用提供数据支持。同时在送审船东、船检时，可提供数据支持。下面就以180KBC中B型小车过道和舵机操作平台作为优化实例，来具体介绍优化过程。

2.3.1 B型小车过道优化设计

选取180KBC中B型小车过道的样式，将原先的角钢L75×75×8 mm替换为L50×50×6 mm进行有限元建模分析，模型如图1。按照每人所占面积0.35 m2的标准可计算出人行过桥上的大约人数，假设人均质量为100 kg，小车及物品500 kg。由此可得出过桥上所承受的最大载荷，假设小车过道端部约束为简支，模型加载和边界情况如图2所示。

图1 小车过道有限元模型

图2 小车过道加载及约束

计算可得出角钢替换为L50×50×6 mm时，小车过道最大应力为172 MPa，结果见图3。小车过道所用材料的屈服应力为235 MPa，根据HCSR规范第7章6.2.1，应力衡准为1.36 σyd，即1.36×235=319.6 MPa。可见型材替换后完全符合结构的强度要求，此方案是可行合理的。另外，根据甲板上小车过道所处区域以及自身特点，按照规范要求只需考虑强度即可，振动可不作考虑。

图3 小车过道应力云图（L50×50×6 mm）

2.3.2 舵机操作平台设计优化

选取H1466船上所用舵机操作平台进行优化，将原先所用L75×75×8 mm角钢替换为L63×63×6 mm。舵机操作平台各部件之间不是焊接的，因此有限元分析时需要对各个部件分别进行建模分析。选其中某一部件有限元建模。假设这一部分平台站满人约8人，每人100 kg ，模型加载及约束如图4。

图4 舵机操作平台载荷和边界条件

根据平台角钢是L63×63×6 mm进行强度分析。应力大小为10.9 MPa，远远小于许用应力，结果如下页图5。如仅考虑强度，平台角钢可进一步优化减小规格，但舵机操作平台所处区域在尾部，距离主机和螺旋桨都比较近，此处容易出现振动问题，在以往的实船中也多次发现振动问题。因此舵机操作平台振动问题不可忽视。若进一步降低型材规格，平台刚度会下降，从而固有频率降低，容易共振。故先计算型材规格为L63×63×6 mm时的平台固有频率，根据结果酌情考虑是否可进一步优化。选H1466船的主要参数先计算激振频率，参数如下：

图5 舵机操作平台应力云图

主机 ：MAN6G70ME-C9.5HP SCR&EGB ；

SMCR： 15 748 kW×75 RPM；

螺旋桨： 4叶。

激振力来源于主机和螺旋桨。螺旋桨激振力最大叶频为（SMCR/60）×4，基于我们舾装件修改的方便性，只要考虑到倍叶频（SMCR/60）×8即可。该船使用的是6缸机，其6阶激振力最大频率等于（SMCR/60）×6，此频率已在倍叶频范围之内。因此以倍叶频作为衡准，即可根据参数算出倍叶频为10 Hz，再加上20%的余量便为12 Hz。有限元建模分析舵机操作平台固有频率，计算结果及振型图如图6-图8所示，一阶固有频率12.369 Hz，二阶固有频率12.911 Hz。

图6 舵机操作平台某点振型/频率图

图7 平台一阶振型图（12.369 Hz）

图8 平台二阶振型图（12.911 Hz）

以上分析表明优化后舵机操作平台的固有频率已达到目标值以上，避开了共振。但富余量并不是很大，若在不改变平台型式的基础上进一步降低型材规格，必然会降低整个平台的刚度，导致固有频率降低，从而低于倍叶频容易引起共振。因此，在原有结构型式的基础上暂优化角钢规格为 L63×63×6 mm。

3 经济效益

舾装件优化设计方法是在满足设计要求的前提下，通过采用低规格型号的钢材，达到节约成本和控制质量的目的。经过几个项目的摸索和实践，这一技术成果已准备应用于后续新项目中。目前210KBC正处于详细设计送退审阶段，优化结果已在这个项目上有所推广和应用。优化后的铁舾件质量控制效果明显，表2是210KBC这条船的钢材节约统计表。

表2 210KBC部分铁舾装件钢材节约统计表

通过表2可看出，目前部分优化的铁舾件可降低7.63 t的钢材。舱内平台在船上用量最大，因此优化的质量最多。部分铁舾件节约质量看上去并不是很大，但该优化思路可以进一步推广，用在广义舾装件以及后续船上。其前景将相当可观。

4 结 语

有限元分析现已广泛应用于船体结构设计，但对舾装件的有限元分析却一直是一个空白。由于舾装产品减重涉及产品结构、强度、规范满足性等方面的问题，因此需要较多的技术与规范储备，再加上舾装产品普遍具有品种及规格多样的特点，出现问题也可事后加强补救，因此就忽略了舾装件的优化。作为基层设计人员，此次不仅做了大胆尝试，也完善了设计手段，将有限元分析法较好地运用于舾装件优化设计中。既可使船舶设计紧跟时代发展需求，也为以后舾装件减重大力推广打下坚实基础。