1、毕业设计文献综述 船舶与海洋工程 基于 CSR7500 散货船舱口盖结构有限元分析 舱口盖（以下简称舱盖）是船舶上的重要组成部分之一。舱盖是货舱甲板开口的关闭装置。它肩负着密封舱口，保护货物和部分支撑平台的作用。舱盖本体多为大型钢结构 , 配备的附属装置为机械加工构件，驱动及操控方式多种多样。舱盖的强度和密性，影响到船舶的安全性；舱盖的开关方式，影响到装卸货物的时间；舱盖本体、附件和驱动设备在船舶造价中占有相当比例，关系到船舶的经济性。为此舱盖越来越被船级社、船东和船厂重视。 1 在全球民船总量中，大主要船种为 油船、散货船、杂货船与集装箱船。除油船外，散货船、杂货船、集装箱船占全球民船载重总
2、吨一半以上共约 35000 艘。这些运输船上，货舱开口主要采用五大舱口盖形式，即单拉式 、折叠式、吊离式 、侧滚式和背载式 。我国近十年来，各大造船厂出口的 200 多艘货船舱口盖选型统计资料 ,也显示了这一特点。下面对上述广泛使用的舱口盖作简要叙述。2 单拉式舱口盖 这是最先发明的机械传动钢质舱口盖，多块盖板相互用链条连接，通过单根钢索由船上起货机直接拉动而闻名。舱盖板开启过程中，先滚动，后翻转最终收藏于导板上 。而后发展成由长链 或固定链传动，由电动或液压开舱机驱动 。曾广泛应用在中、小型船露天 甲板上。因其受负荷、舱口围高度、收藏地位长度限制，不适应现代船舶的专用化、多用途化及大型化 。
3、欧洲已较少使用 ,东南亚使用率还较高 。 折叠式舱盖 这种舱口盖由于操作简便 ,3 万吨级以下的杂货船、散货船、运木船、冷藏船及多用途货船的露天甲板与中间甲板都可采用。按盖板连接块数多少 ,分单对折叠式与多对折叠式。常用油缸驱动 ,也可用钢索操作。按油缸安装在盖板内外的位置 ,分外置油缸与内置油缸折叠式。外置油缸液压折叠式是目前最广泛使用的舱口盖。 吊离式 舱口盖 这是一种原理最简单的舱口盖。借助于钢丝绳 、套环、卸扣 、眼板等索具 ,由船上或岸上起重机吊离 ,可放于船上或码头上。在机械传动舱口盖普及之后 ,多数用作中间甲板舱口 盖。自全集装箱船问世以来 ,吊离式舱口盖发展迅速 ,舱盖板可借助
4、集装箱吊架直接吊放 ,开启一块盖板如 同吊离一只集装箱 ,十分简便。在大型集装箱船上 ,该型式舱口 盖 ,充分体现了现代货船舱 口盖设计特点 ,应用了许多新技术。 背载式舱口盖 这是装有轮子的低顶升盖板 ,可背载着装有举臂的高顶升盖板在舱口范围内外滚移 ,实现舱口局部开启或全部开启。这种 舱口盖，主要适用于货船开口较长或无处贮存盖板的多用途货船。大型货船上这种舱口盖的盖板尺度可设计得很大，单块盖板重量超过 100t，通常由长链传动。驱动装置有电动和液压两种 。 组合式舱口盖 当货舱开口特别长时 ,一种型式舱口盖无法关闭整个开口 ,故采用两种形式 ,成为组合式舱盖。通常舱口两端为单拉式或折叠式
5、,少数盖板中间采用滚动式或吊离式。 2 现代货船舱口盖功能及辅助装置不断发展 现代舱口盖功能不仅是保证货舱的密性 ,而且还有许多用途。杂货船、运木船 、集装箱船舱口盖上可装载各种相应的甲板货；大型散货船的舱 口盖 ,可作直升飞机平台；多用途货船二甲板舱盖板可用作谷物分隔舱壁；冷藏船舱口盖上还要布置小型香焦舱口盖；散货船舱 口盖顶板上要设置谷物注入孔 ,端板上设置呼吸孔及盖子。舱内载运危险品集装箱的舱口盖 ,底部要装喷淋装置 ,端部要设带百叶窗的通风孔及盖子。运木船舱口 盖要设置防护装置 ；运煤船舱口盖双壳结构要设置煤气排放栓；超长舱口中部盖板可特殊设计约束船体变形；集装箱船的舱盖四周必要时可设
6、置外伸臂等等 。各种设施的不断发展 ,促进了舱口盖功能的增强。 3 我国舱口盖现状： 2009年 5月 20 日， 23 万吨超大型矿砂船 (VLOC)舱口盖在位于广东东莞市麻涌镇的东莞凯力船舶有限公司完工，这是华南地区船配企业制造的最大舱口盖，填补了华南船舶配套工业在该领域的空白 。 4船舶舱口盖制造业是我国船舶配套业中国产化率较高的一个行业。近年来，随着越来越多的造船企业向总装化发展，舱口盖制造逐渐从船企分离出来，这为我国舱口盖专业化制造水平的提高创造了条件。 。 企业增多但缺乏自主品牌 随着船市的兴旺，舱口盖制造企业在全国各个船舶行业集聚地兴起，其业务量越来越大。在上海，江南重工股份有限
7、公司的舱口盖产量持 续上升，去年达到了 2 万多吨。在船舶工业发达的辽宁、浙江、山东、福建、广东等地，大大小小的舱口盖制造企业也不断涌现。 除了数量不断增多外，这些舱口盖制造企业的产量和产品质量也不断提高。为了保持较强的竞争能力，蛟龙重工、虹波重工等一些较具规模的企业开始与拥有国际品牌的舱口盖专业公司合作，合作通常以专业公司为主导。以蛟龙重工为例，该公司选择与全球最大的舱口盖专业公司 麦基嘉集团合作。这意味着该公司只能制造由麦基嘉集团接单、设计的船舶舱口盖，制造完成后产品统一由麦基嘉集团贴牌、销售。使得这些企业在获得品牌优 势的同时，丧失了一定的主动权。 德瑞斯华海为我国企业赢得话语权 德瑞斯
8、华海公司目前该公司手持舱口盖订单 1300 多船套，订单总金额超过 40 亿元。目前，其舱口盖产品在中国市场的占有率超过 50%。这标志着 TTS 华海公司已成为国内设计、制造船用舱口盖系统的领头羊。 TTS 华海公司成立于 1998 年，由中国船舶工业集团公司旗下的华海船用货物通道设备公司与世界知名的设备设计制造商 TTS 集团各出资 50%创立，专业从事船用舱口盖系统和船用货物通道设备的科研、设计、制造、安装和服务等。10 年来，其母公司华海船用货物通道设备公司通过集成创新和对先进技术引进、消化、吸收、再创新，先后完成了国家级科研攻关项目“大型集装箱船舱口盖系统研究”，自行立项的“大开口背
9、载式舱口盖系统设计和研究”、七八研究所万箱级集装箱船开发项目的子课题“万箱级集装箱船舱口盖设计和研究”、上海外高桥造船公司“ 32 万吨超大型矿砂船设计建造技术开发”项目的子课题“舱口盖布置及控制技术研究”等，在一系列关键技术研发领域取得了突破，具备了设计、制造 10000TEU 以上超大型集装箱船、 30 万吨级以上大型矿砂船等超大型船舶舱 口盖系统的能力，技术达到当代国际先进水平 由于德瑞斯华海的中方合资方不仅掌握了舱口盖的设计技术，而且建立了广阔的市场渠道，国外舱口盖专业公司独大的局面得到了改变，这为国内舱口盖制造企业赢得了宝贵的话语权。 5 应尽快提升二级配套水平 与国际先进水平相比，
10、国内舱口盖制造业还有不小距离，更为严重的是国内舱口盖制造企业至今仍受制于国外专业公司。对此，专家指出，国内企业应主动搭建自己的销售网络，建立自主销售渠道；同时应提高管理水平和生产效率，进一步缩短每吨加工工时，提高材料利用率。 此外， 国内舱口盖制造业的二级配套率低也是一个问题。目前国内制造的舱口盖。除了本体钢结构和简单配套外，油缸、油马达、泵站等均由国外进口。今后国内配套企业应考虑这些产品的国产化问题，为国内舱口盖制造业整体竞争力的增强提供支撑。 3 散货船共同结构规范及应用中的注意事项 1、 规范对舱口盖的一般要求 共同规范规定首先明确规范的选择，根据不同位置的舱口盖选用不同的规范。舱口盖建
11、造所需的材料应符合船级社的适用要求， 除钢以外的材料的使用，由船级社通过审核查所采用尺度的衡准能否确保强度和刚度等同于钢质舱口盖的强度和刚度来逐 例考虑 。在对板材选取时还应考虑腐蚀余量的大小，并满足规范对许用应力的规定。 6 2、 舱口盖的布置要求 参照经修正的载重线公约 ， 舱口围板在甲板之上的高度不得小于： 600mm在露天干舷甲板和后升高甲板 和 位于沿首柱前端至自龙骨顶部向上量至最小型深 85%处水线，首垂线起 0.25LLL 前方的露天上层建筑甲板 处； 450 mm 位于沿首柱前端至自龙骨顶部向上量至最小型深 85%处水线，首垂线起 0.25LLL 后方，且在干舷甲板以上至少一个
12、标准上层建筑高度的露天上层建筑甲板； 和 位于沿首柱前端至自龙骨顶部向上量至最小 型深 85%处水线，首垂线起 0.25LLL前方，且在干舷甲板以上至少两个标准上层建筑高度的露天上层建筑甲板。舱口盖 ： 露天甲板上的舱口盖应为风雨密 ， 封闭式上层建筑中的舱口盖不必风雨密 ， 然而，压载水舱、燃油舱或其他液舱处的舱口盖应为水密 。 舱口盖的普通扶强材和主要支撑构件应尽实际可能在舱口盖的宽度和长度范围内连续 ， 如不可行，则不得使用削斜的端部连接，而应采用适当布置以确保足够的承载能力。与普通扶强材方向平行的主要支撑构件的间距不得大于主要支撑构件跨距的 1/3。若横向未支撑跨距大于 3 m，主要支
13、撑构件面板的宽度不得小 于深度的 40%。与折边连接的防倾肘板与面板连接可作为主要支撑构件的横向支撑。面板外伸应不超过面板总厚度的 15 倍。应设有有效的保持装置以防止舱口盖在盖上货物（如有）施加的纵向和横向力的作用下平移。这些保持装置应位于舱口围板边肘板处 ， 舱口盖各支承表面的宽度应至少为 65 mm。 7 舱口围板 ： 围板、扶强材和肘板应能经受固定和移动舱口盖所需的夹紧装置和操纵设备处的局部力以及舱口盖上堆放的货物造成的局部力。应特别注意前舱口的前横向围板的强度和该围板上的舱口盖关闭装置的尺度。纵向围板应至少延伸至甲板梁的下边 缘；如果它们不是连续甲板纵桁的一部分，纵向围板应在开口末端
14、外延伸至少 2 个肋骨间距。强肋骨或相似结构应设在与横向围板成一直线的甲板之下。横向围板应在甲板之下延伸并与强肋骨连接。 7 小舱口 ： 如果位于位置 1，小舱口围板的高度不得小于 600 mm，如果位于位置 2，小舱口围板的高度不得小于 450 mm。如果关闭装置是由衬垫和活节螺栓作风雨密紧闭的铰链钢盖，围板的高度可减小或围板可整个取消。小舱口盖的强度应等于主舱口所要求的强度且小舱口盖应为钢质风雨密，一般设有铰链。固定装置和舱口盖边缘的加强应得使在任何海况下均 能保持风雨密。每边应至少设有一个固定装置。圆孔铰链视为等同于固定装置。露天甲板上的货舱通道应设有水密金属舱口盖，除非这些通道受到封闭
15、式上层建筑的保护。这同样适用于首楼甲板上通过围阱直接通往干货货舱的通道。 隔离舱和压载舱的通道应为人孔，其水密盖用间距足够紧密的螺栓固定。 特殊设计的舱口由船级社逐例考虑。 7 3、 载荷模型 作用于舱口盖上的侧向压力和力 时， 当两个或更多板格通过铰链连接时，每个单独的板格应分开考虑。在任何情况下，位于露天甲板上的舱口盖应考虑海水压力。另外，当舱口盖拟承载均匀货物、特殊 货物或集装箱时，压力和力应与海水压力分开考虑。 另外还需注意海水压力、 压载水引起的内部压力 、 均匀货物引起的压力 、 特殊货物引起的压力或力 、 集装箱引起的力 等。 8 载荷点 的选取： 露天甲板上舱口盖的波浪侧压视为
16、作用于每个舱口盖的波浪侧向压力应在位于下列位置的点计算： 纵向，在舱口盖长度中点 ； 横向，在船舶对称纵向平面上 ； 垂向，在舱口围板的顶端 。 侧向压力应在下列位置计算：对于板材，在板格的几何重心处 ； 对于普通扶强材和主要支撑构件，在跨距中点 。 4、 强度校核 强度校核适用于承受均匀压力的矩形舱口盖，其设计系将主要支撑构件布 置在一个方向或作为纵向和横向主要支撑构件的板架。在后一种情况下，主要支撑构件的应力应通过板架或有限元分析来确定 ， 应校核集中载荷引起的应力是否 小于等于许用应力。 支承集装箱的舱口盖的尺度应符合船级社的适用规定 ， 对于支撑特殊货物的舱口盖，普通扶强材和主要支撑构
17、件一般应通过直接计算来校核，且应考虑到扶强材布置及其相对惯性矩 ，且按照是 否 小于等于许用应力校核特殊货物引起的应力。 板材净厚度、挠度限制以及主要支撑 构件腹板板格的临界屈曲应力校核 应按照规范要求进行计算并校核是否符合规范要求。 8 5、 舱口围板 加强 舱口 围板普通扶强材应在舱口围板的宽度和长度范围内连续。围板应用一个形状适合舱口盖关闭装置的扶强材在上边缘加强。此外，当盖设有防水油布时，长度超过 3 m 或高度超过 600 mm 的围板周围应设置角钢或球扁钢；此扶强材应设置在上边缘以下约 250 mm。角材水平折边的宽度不得小于 180mm。若舱口盖设有防水油布，围板应通过间距不大于
18、 3 m 的肘板或撑柱加强。如果围板的高度超过 900 mm，可要求附加的加强。但是，保护区域中的横向围板可减少。当两个舱口互相靠近时，应设有甲板下扶强材来连接纵向围板以保持强度的连续性。对长度超过 9 个肋骨间距的舱口，末端处 2 个肋骨间距范围内应设有类似的加强。 在一些情况下，船级社可要求在甲板以上保持围板的连续性。如设有水密金属舱口盖，可采用相等强度的其他布置。 9 有限元分析在舱口盖的应用 有限元计算应用 MSC.PATRAN/NASTRAN 软件。计算模型的建立按照中国船级社的有关规定 。 有限元 首先 建立在笛卡尔坐标系中， X 轴沿船体纵向指向船首，Y 轴沿船宽方向指向左舷，
19、Z 向沿船体由船底垂直指向甲板。有限元模型包括一个舱口所有舱盖板的顶板，横纵向桁材及桁材面板，小梁等主要构件。计算模型采 用净厚度（扣除了 2 mm 腐蚀余量），单元网格大小按照加强筋间距。 计算载荷，根据具体的 强度的计算工况 ， 分别计算舱盖结构所能承受的最大载荷。 边界条件 ： 对横向线位移的约束 , 约束点位于模型侧板上 ， 横向限位装置处，其约束条件是 y=0；对纵向线位移的约束，约束点位于模型侧板上 ； 纵向限位装置处，其约束条件是 x=0；对垂向线位移的约束，约束点位于模型的端板和侧板的支承块处，其约束条件是 z=0； 计算结果及强度评估 。 舱盖的主要构件大多数布置在集装箱箱角
20、处 ,由于在集装箱载荷作用下 , 局部结构容易产生高 应力 , 因此在有限元模型中对关键构件和容易引起应力集中的局部构件（如横梁和纵桁的腹板及侧板和端板）再进行了单元网格细化，使有限元模型的计算 ， 结果能较为准确地反映实际结构在外载荷作用下的响应。 然后进行 屈服强度评估 。 10 计算结果分析 。 舱盖结构的优化设计根据屈曲强度计算结果的经验 ,加强筋的间距为 500 mm550 mm 左右为适当。以往的设计不考虑相关结构间相互作用等因素， 所以看不出整个舱口舱盖板变形的不同变化， 在跨距和外部载荷相同的条件下，认为每块舱盖的挠度是相同的，构件所取板厚与形式也一样。 通过有限元模型从以上表
21、格和附图中 ,我们可以看出，因为舱盖板受载荷工况和边界条件的不同，加强结构受力状态和结构形式也会不同，应力较大处的结构应较强些。一个舱口中的几块舱盖板在接缝处是从两边向中间有序开启的 ,相互的牵制作用使各块舱盖所受应力值是不同的， 而变形一般也是中间舱盖最大，两边递减，因而变形大的顶板及主梁板厚取大些。主横梁在侧板处所受剪切力最大 ,腹板两端所取板厚较大些。采用边计算、边分析、逐步优化的方法，通过与应力衡准值比较，使结构设计逐步趋向优化，结构分布更合理，自重得到减轻。 为相应的船体结 构加强提供更准确的依据 。 在以往的设计中，舱盖作用在舱口围上受力点（支承块、限位装置等）的载荷，往往是根据受
22、力点数量平分的，每个受力点载荷是相同的。而通过有限元模型我们可以清楚的看到，每块舱盖上集装箱的布置、结构的分布和支承块及限位装置的布置的不同都会引起受力点载荷的变化，所以每个受力点载荷是不相同的。而船体舱口围加强可根据载荷的大小进行相应的结构加强，这样能提高结构加强的准确性 。 提供主要结构重量 。 以往，舱盖设计好后估算舱盖重量时，要进行人工输入数据进行汇总，花费大量时间。而通过有限元模型建模，可以 直接读取模型中的结构重量，减少大量的工作量，提高了效率。 通过有限元的建模计算，我们可以比常规的按规范计算更精确地把握结构的受力状况，使得舱盖结构满足新规范的要求，减少钢材使用，减轻了舱盖自重，
23、设计更加合理，保证了整条船舶的经济性。 11 参考文献 ： 1 刘炳楠 . 船舶舱口盖的分类及修理，中国修船， 2006 年 4 月第二期 2 朱德龙 . 现代货船舱口盖发展特点，船舶设备 ,2006 年 10 月 11 日 3 胡晓峰 . 舱盖制造业：行进在专业化道路上，中国船舶报 ,2007 年 11 月 23 日 4 邝展婷 . 华南最大的舱口盖完工，中国船舶报， 2009 年 6 月 3 日 5 张银炎 . TTS 华海：国内舱口盖行业的领头羊 ，中国船舶报 ,2008 年 5 月 30 日 6 葛家军 . 中小型货船折叠式舱口盖制造技术，中国造船， 2006 年 6 月 10 日 7 中国船级社 .散货船共同结构规范， 2006 年 8 施继康 .万吨级散货船舱口盖型式及其技术探讨，船舶工程， 1988 年 8 月 9朱士贵 . 舱口盖制作检验与公差要求，船舶建造工艺， 2000 年 2 月 9 日 10杨赵华 .基于共同规范的散货船舱口盖结构强度分析，交通科技， 2008 年第 2 期 11陈方 . 浅谈有限元分析在舱盖计算中的应用，船舶设计通信， 2010 年 6 月
