目前, 大部分水泥主要通过公路运输, 采用纸袋包装。同时, 纸袋类包装成本高, 在运输过程中装卸效率
也比较低。但如果在运输过程中使用水泥罐作为装载容器, 不仅可以节省包装费用, 而且具有装卸方便、
损失小等优点。另外, 水泥在密封罐中运输不易受潮, 可以保证散装水泥的质量, 还可以使周围环境减少
遭受水泥粉尘污染的影响。因此, 无论是陆路运输还是水路运输, 水泥罐罐体支撑结构和罐体材料的研究
显得非常关键[1]。
本文以52 m散装水泥船为研究对象, 按照中国船级社《国内航行海船建造规范 (2018) 》的要求, 首先利
用有限元分析软件对水泥船罐体下方的支撑结构局部强度进行直接计算, 以验证该区域的结构强度是否满
足规范要求[2], 然后对不满足规范要求的局部结构提出三种改进方案, 并借助模糊综合评判理论对改进后
三种方案进行比较分析, 最后确立方案Ⅲ为最优加强方案。
1 52 m散装水泥船介绍
52 m散装水泥船为钢质船体, 单底、单甲板、单机单桨型货船, 中部货舱设置两个水泥货罐, 主要用于装
载散装水泥, 航区为沿海航区。该船的主要参数为:总长52.00 m, 量吨甲板长51.35 m, 设计水线长50.10
m, 垂线间长48.60 m, 型宽8.80 m, 型深3.80 m, 设计吃水2.90 m。FR55至FR87为第一货舱, 舱内设Φ5.3
m×15 m水泥罐一只 (389 t) ;FR20至FR55为第二货舱, 舱内设Φ5.5 m×18.6 m水泥罐一只 (291 t) 。
2 罐体支撑结构局部强度校核
鉴于第二货舱罐体的重量比第一货舱罐体重量大, 局部有限元模型构建如图1所示, 长度方向从FR20至
FR55, 横向和垂向方向分别为整个船宽和船深[3], 模型前后左右边缘上所有节点6个自由度进行约束[4]。
载荷施加主要包括罐体的重量、舷外水压力以及船体自重, 如图2所示。模型范围内部的罐体重量为389 t,
通过多点约束 (MPC) 对罐体与船体连接部位施加连接。舷外水压力考虑满载工况吃水为2.9 m来计算, 结
果如表1所示。
图1 局部有限元模型
图1 局部有限元模型 下载原图
图2 罐体载荷施加
图2 罐体载荷施加 下载原图
表1 应力汇总 下载原表
表1 应力汇总
从表1可以看出, 52 m散装水泥船罐体下方支撑结构局部强度并不满足《国内航行海船建造规范 (2018) 》
局部强度应力衡准的要求。这主要跟支撑结构上方罐体自身重量有直接关系, 为了满足局部强度要求, 可
以对罐体支撑结构进行加强。
3 结构加强
结合水泥船罐体下方结构的特点, 充分考虑船体自身强度的要求, 罐体区域的加强方案主要包括以下3种:
方案Ⅰ, 改变支撑结构横向板的厚度——厚度由6 mm变为10 mm, 范围在FR26、FR34、FR41和FR49;方案Ⅱ,
增加支撑板结构的垂直扶强材——扶强材尺寸为L90×56×6;方案Ⅲ, 改变支撑结构板材属性———由低碳
钢变为Q345高强钢[5], 如表2所示。
表2 支撑结构的加强方案 下载原表
表2 支撑结构的加强方案
通过对52 m散装水泥船支撑结构进行适当调整, 得出罐体区域结构的应力值, 结果如表3所示。
表3 3种不同方案下的应力汇总 下载原表
表3 3种不同方案下的应力汇总
注1:[σe]=235 N/mm2为Q235钢的许用应力;[σe]=345 N/mm2为Q345钢的许用应力。
通过计算可以看出3种改进方案下船底板、船底肋板、船底纵桁以及支撑结构板材均小于对应的许用值, 改
进后的52 m散装水泥船支撑结构局部强度满足规范要求。可见, 加强支撑部位的结构可以有效降低罐体支
撑结构的应力, 提高整体的强度。然而, 哪种方案对结构加强最有效却很难确定, 这不仅跟强度有关, 而
且与工艺、经济成本、环境和人为操作等都有关系, 需要进一步借助其他评判方法。
4 模糊评判
本文前节已经提到对52 m散装水泥船罐体支撑结构的三种加强方案, 每种方案中涉及结构强度、建造和成
本控制等因素都不同, 不能简单进行比较, 可以通过多因素综合评判的指标———模糊综合评判来分析。
该评判过程主要包括:建立相应的因素集、因素权重、备择集、量化指标和评判结果。
(1) 建立因素集。针对本案例, 为了确定哪种方案对罐体支撑结构最优, 可以将三种加强方案考虑为第一
级评价因素。建立的因素集包括船体局部强度、舱段建造水平和成本控制, 分别用U1, U2, U3来表示。第
一级模糊集合可以用U表示, U={U1, U2, U3}。
由于舱段建造水平包括焊接要求、切割工艺、装配难易以及涂装要领等, 所以将建造水平中诸多因素归为
二级评判因素。确定U2 (舱段建造水平) 由焊接要求、切割工艺、装配难易以及涂装要领等四个子因素构
成, 分别用U21表示焊接要求, U22表示切割工艺, U23表示装配难易程度, U24表示涂装要领。第二级模糊
集合可以用U2表示, U2={U21, U22, U23, U24}。
(2) 建立因素权重集。本部分主要对U={U1, U2, U3}和U2={U21, U22, U23, U24}建立因素权重集。采用的
方法是自上而下成对比较, 比如U={U1, U2, U3}中, U1 (船体局部强度) 为主要因素, U2 (舱段建造水平)
次之, 最后为U3 (成本控制) 。通过两两比较, 最终确定U具体权重集。{U1, U2}={1, 0.9}, {U2, U3}=
{1, 0.8}, 进而得到U的因素权重集A= (0.38, 0.34, 0.28) , 如表4所示。同理U2={U21, U22, U23, U24}
中, U21 (焊接要求) 为主要因素, 之后依次是U22 (切割工艺) , U23 (装配难易程度) 和U24 (涂装要领)
, 也进行两两比较, 最终确定U2具体权重集。{U21, U22}={1, 0.9}, {U22, U23}={1, 0.8}, {U23, U24}
={1, 0.7}, 进而得到U2的因素权重集A2= (0.32, 0.29, 0.23, 0.16) , 如表5所示。
表4 U的因素权重集 下载原表
表4 U的因素权重集
表5 U2的因素权重集 下载原表
表5 U2的因素权重集
(3) 建立备择集。建立备择集主要从以下三个方案中选取最优方案。备择集用V来表示。V1代表方案Ⅰ;V2
代表方案Ⅱ;V3代表方案Ⅲ。用集合表示为V={V1, V2, V3}。
(4) 量化指标。结合以上提到的各个因素, 可以定出焊接要求、装配难易、涂装要领和切割工艺的因素集
。从焊接角度出发, 方案Ⅲ的要求最高, 其次是方案Ⅰ, 最后是方案Ⅱ。从装配难易出发, 方案Ⅰ和方案
Ⅲ要求最高, 其次是方案Ⅱ。从涂装要求出发, 方案Ⅲ的要求最高, 其次是方案Ⅰ, 最后是方案Ⅱ。从切
割工艺出发, 方案Ⅰ和方案Ⅲ要求最高, 其次是方案Ⅱ。具体量化指标如表6所示。
表6 3种方案指标量化 下载原表
表6 3种方案指标量化
确定U2内部的各个因素的指标顺利完成, 而船体局部强度和成本控制往往需要通过计算值与参考值进行比
较来确定, 其中船体局部强度需要通过计算得到最大相当应力来衡量。满意度系数为计算值与参考值的比
值, 成本控制按照重量来衡量 (以罐体下方支撑结构重量计算, 以t为单位) 。满意度系数为参考值比上量
化值, 其中参考值为原来材料重量, 量化值为结构加强后的重量, 见表7所示。
表7 船体局部强度和成本控制的量化指标 下载原表
表7 船体局部强度和成本控制的量化指标
(5) U2模糊评判。汇总表6的结果得到U2 (焊接要求、切割工艺、装配难易以及涂装要领) 四个因素最终权
重指标。用R21表示焊接要求的评判集, R21= (0.9, 0.75, 1) ;用R22表示切割工艺的评判集, R22= (1,
0.8, 1) ;用R23表示装配难易的评判集, R23= (0.85, 0.7, 1) ;用R24表示涂装要领的评判集, R24= (1,
0.7, 1) 。于是U2最终的评判矩阵为:
采用矩阵相乘进行运算, 于是得U2结构建造模糊评判集为:
(6) U模糊评判。通过以上相同方法, 可得到U模糊评判。三个因素的评判集:R1= (0.26, 0.19, 0.19)
;R2= (0.93, 0.75, 1) ;R3= (0.60, 0.76, 0.98) , 评判矩阵为:
通过对52 m散装水泥船罐体支撑结构的三种加强方案进行模糊综合评判, 确定评语集的数值, 结合建造、
结构强度和成本控制三个因素, 得出结论认为, 方案Ⅲ改变支撑结构板材属性较为理想。
5 结束语
本文以52 m散装水泥船为研究对象, 围绕该船货舱区域罐体支撑结构的局部强度进行系统分析, 认为该船
局部强度不满足规范, 并对局部结构提出三种改进方案, 包括改变支撑结构横向板的厚度、增加支撑板结
构的垂直扶强材和改变支撑结构板材属性, 改进后的计算值均满足规范要求。在此基础上, 借助模糊综合
评判理论, 对船体改进后三种方案通过确定评价对象的因素集、确定评价因素的权重向量、确定评价对象
的评语集、指标量化处理、二级模糊评判和一级模糊评判等过程, 认为方案Ⅲ为最优方案, 对改进散装水
泥船罐体支撑结构局部强度具有一定参考价值。