舭龍骨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝研究

甘 水 來

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

近百年來，人們一直致力于研究減緩艦船橫搖運(yùn)動(dòng)的措施，世界各國先后研制出了幾百種不同類型的減搖裝置，但目前廣泛使用的僅有舭龍骨、減搖鰭和減搖水艙。其中舭龍骨結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、效能好、便于維護(hù)，因此更受人們的青睞。

舭龍骨是一種根據(jù)流體動(dòng)力的作用產(chǎn)生穩(wěn)定力矩的固定減搖裝置，安裝在船體兩側(cè)舭部，不參與船體總縱彎曲，長度約為船長的1/4～1/2，大至與船體舭部外板垂直，有連續(xù)式和間斷式2種。

船上安裝舭龍骨主要是增加旋渦阻尼以達(dá)到減緩橫揺，從而減小船舶的橫搖角。由于舭龍骨擾動(dòng)周圍的水流，引起船舶附連水質(zhì)量慣性矩的增加，因此，橫搖周期也稍有增大，但卻增加了船體阻力。船舶舭部流線方向一般由船模試驗(yàn)獲得，圖1為某船舭龍骨位置船模試驗(yàn)圖。

圖1 舭龍骨位置船模試驗(yàn)

1 減搖效果分析

1.1 舭龍骨尺度對減搖效果的影響

舭龍骨在一舷的總面積S，一般在LB×的1%～3%之間（L為船長，B為船寬）。舭龍骨的減搖效果與其寬度有關(guān)，因?yàn)轸褒埞窃綄?，引起的船舶附加阻尼也就越大，但舭龍骨寬度不?yīng)超出一定范圍，見圖2。船型不同，舭龍骨的寬度也有所不同，一般在0.3~1.2m之間，平均取為船寬的3%~5%。通常情況下，方形系數(shù)較大的船，舭龍骨寬度可取小些；而方形系數(shù)較小的船，可取大些。舭龍骨連續(xù)時(shí)，寬度可取小些；舭龍骨間斷時(shí)，寬度可取大些。一般散貨船和油船，舭龍骨的寬度可取0.4~0.5m，但最大不得超出船舯剖面最大方框線之外，最好能限制在圖2的折線DKF之內(nèi)[1]，以避免船舶擱淺或?？看a頭時(shí)損壞舭龍骨。

面積和寬度確定后，即可得出舭龍骨的長度。一般約為船長的 1/4~3/4之間。船型不同，舭龍骨的長度也不同，方形系數(shù)較大的船可取長些，而方形系數(shù)較小的船應(yīng)取短些。對于每種船型，舭龍骨長度存在一個(gè)有效范圍，當(dāng)長度超過該有效范圍后，舭龍骨效能變化不大。原因是靠近船首尾的舭龍骨處在船舭部曲率減少的位置，故阻尼力矩很小。舭龍骨也不宜過前，距艏柱的距離最好大于1/4L。原因是，如果舭龍骨過于靠近船首，有可能因舭龍骨出入水面而引起砰擊，既增大了舭龍骨損壞的可能，又有損于船體強(qiáng)度。

1.2 舭龍骨位置對減搖效果的影響

貝克[2]曾在船的側(cè)面、舭部和底部等處裝舭龍骨進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明裝在舭部的舭龍骨減搖效果最好。原因是舭部距離橫搖中心最遠(yuǎn)；另外，舭部曲率大，此處水流速度較大且流向與船舶橫搖方向相反，因此提高了舭龍骨引起的阻尼力矩。為減小因安裝舭龍骨而引起的船舶阻力，舭龍骨應(yīng)沿流線布置，且盡可能與舭部外板垂直。

圖2 船舯剖面舭龍骨位置

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 典型舭龍骨

舭龍骨有連續(xù)和間斷2種結(jié)構(gòu)形式，典型舭龍骨結(jié)構(gòu)見圖3。根據(jù)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（CSR）的要求[3]，不同于圖3所示的舭龍骨設(shè)計(jì)應(yīng)予以特別考慮。

為了增大舭龍骨的剛性，舭龍骨腹板外緣通常設(shè)置了圓鋼、半圓鋼[4]、扁鋼或球扁鋼，其結(jié)構(gòu)形式如圖4、5所示。當(dāng)舭龍骨長度大于0.15L時(shí)，其材料強(qiáng)度與鋼級(jí)應(yīng)與舭列板相同。由于端部在航行中易受損傷，因此端部應(yīng)逐漸削斜并終止于內(nèi)部支撐構(gòu)件處，削斜長度應(yīng)不小于3倍舭龍骨腹板高度。如果內(nèi)部設(shè)置了一根與舭龍骨腹板對準(zhǔn)的縱向扶強(qiáng)材，則扶強(qiáng)材應(yīng)向前后至少延伸到“A”區(qū)范圍內(nèi)，在此情況下，舭龍骨端部可不必終止于內(nèi)部橫向結(jié)構(gòu)處。另外，舭龍骨腹板端部與中間扁鋼（復(fù)板）端部之間距離應(yīng)不小于50mm，一般也不要大于100mm。在圖4(a)、(b)中的“A區(qū)”范圍內(nèi)，舭龍骨腹板上不允許開孔和切口。

在船舶航行中，舭龍骨容易受到損壞，如撕裂等。為了保證舭龍骨的損壞不至影響到船殼本身，因此，設(shè)計(jì)時(shí)，舭龍骨腹板厚度不得大于中間扁鋼（復(fù)板）的厚度。

圖4 舭龍骨結(jié)構(gòu)形式

舭龍骨應(yīng)通過中間復(fù)板與舭列板相焊接。不論是連續(xù)舭龍骨或間斷舭龍骨，復(fù)板在整個(gè)設(shè)置舭龍骨范圍內(nèi)應(yīng)為連續(xù)。為了使復(fù)板與船體外板更好地貼合，復(fù)板不宜過寬，一般不大于75mm。根據(jù)CSR規(guī)范[5]要求，復(fù)板的實(shí)際厚度應(yīng)與舭列板的實(shí)際厚度相同，但不大于15mm。復(fù)板的材料強(qiáng)度和鋼級(jí)應(yīng)與舭列板相同。為減小端部應(yīng)力集中，復(fù)板端部應(yīng)削斜，削斜比例最小為3:1。如果端部應(yīng)力集中較小，也可以采用大圓弧而不進(jìn)行削斜,此時(shí)圓弧半徑為復(fù)板寬度的一半。

圖5 舭龍骨典型剖面結(jié)構(gòu)

3 安裝要求

舭龍骨的正確安裝角度是：在船中剖面上，舭龍骨腹板的延伸線與船中剖面中線的交點(diǎn)O為船舶橫搖中心。根據(jù)CSR[3,5]，船舶橫搖中心至基線距離型深，LCT 為當(dāng)前工況下船中吃水。在缺乏船舶橫搖中心資料時(shí)，建議取穩(wěn)心與重心之間的中點(diǎn)作為假定橫搖中心。也可在船中剖面上基線半寬處以 45°斜線作為舭龍骨簡易定位角度，如圖6所示。

為了提高分段的結(jié)構(gòu)完整性，舭龍骨應(yīng)在分段上安裝，而在分段大接縫處可預(yù)留500~1000mm在搭載時(shí)散裝。待該處分段大接縫密性驗(yàn)收后，方可進(jìn)行該段舭龍骨的安裝工作。安裝舭龍骨時(shí)，應(yīng)事先劃出安裝線，并制作安裝用的角度樣板。

4 焊接要求

復(fù)板對接縫應(yīng)與船體外板對接縫相互錯(cuò)開，錯(cuò)開距離至少為100mm以上。通常，在復(fù)板位置的外板對接縫應(yīng)磨平。在分段中安裝舭龍骨，當(dāng)舭龍骨復(fù)板有對接縫時(shí)，應(yīng)先焊復(fù)板對接縫。復(fù)板對接縫處應(yīng)開坡口，坡口形式見圖7。為避免復(fù)板對接縫直接焊在船體外板上，在復(fù)板對接縫處與外板之間應(yīng)插入一塊1.0~1.5mm的銅墊片，焊好后抽出該銅片。目前，國外一些船廠已用白鐵皮襯墊取替銅襯墊，因?yàn)殂~襯墊焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生銅析現(xiàn)象，焊縫中夾雜較多的銅元素會(huì)產(chǎn)生細(xì)微裂縫。應(yīng)用白鐵皮襯墊時(shí)，坡口形式與銅襯墊稍有不同，這是因?yàn)槭褂玫陌阻F皮較薄，厚度一般在0.5~0.7mm，此時(shí)為防止白鐵皮過度受熱而與焊縫粘到一起，坡口需留根2mm，見圖7(a)。

圖7 復(fù)板對接縫坡口形式及襯墊

沿復(fù)板縱邊應(yīng)采用連續(xù)角焊縫，焊喉厚度為復(fù)板厚度的0.3倍,復(fù)板兩端端面處的焊喉厚度應(yīng)為其厚度的0.5倍，端面焊縫高度與船體外板的過渡宜與板材形成45°或更小的角度，見圖8。

舭龍骨的對接焊縫應(yīng)與復(fù)板的對接縫相互錯(cuò)開，錯(cuò)開距離應(yīng)不小于100mm。同時(shí)，舭龍骨的對接縫還應(yīng)與船體外板的對接縫錯(cuò)開，錯(cuò)開距離也不應(yīng)小于100mm。見圖3。舭龍骨對接縫不得采用扇形孔和切口，焊接一般采用V型坡口，反面清根封底焊。為防止舭龍骨對接縫內(nèi)部可能存在的裂紋影響到復(fù)板和船體外板，在該對接縫的根部鉆止裂孔。止裂孔直徑應(yīng)不小于25mm，且要求大于對接縫寬度，止裂孔的位置應(yīng)盡可能靠近角焊縫根部。如果該對接縫經(jīng)無損探傷合格，可不開止裂孔。

舭龍骨與復(fù)板的連接應(yīng)采用連續(xù)角焊縫，端部焊喉高度為0.3倍于舭龍骨腹板厚度，范圍見圖4中的“B區(qū)”，其余部分為 0.2倍于舭龍骨腹板厚度。焊縫趾端應(yīng)打磨，以使其與母材光順過渡。

5 結(jié) 語

圖8 復(fù)板端部焊接要求

雖然舭龍骨應(yīng)用的歷史很久而且又很普遍，但舭龍骨的作用原理比較復(fù)雜，目前尚不能用完整的理論計(jì)算方法設(shè)計(jì)舭龍骨的形狀和尺寸，主要依靠船模試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式作為依據(jù)。在現(xiàn)行的船級(jí)社規(guī)范中，對舭龍骨的結(jié)構(gòu)尺寸也沒有作明確要求，因此，設(shè)計(jì)時(shí)多數(shù)參考母型船或相似船型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。雖然舭龍骨不參與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，但在結(jié)構(gòu)計(jì)算中還是計(jì)及了舭龍骨對結(jié)構(gòu)的影響。為了對舭龍骨作用的更深入研究，本文旨在起一個(gè)拋磚引玉的作用。

[1] 趙耕賢，鄭君鎬. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(結(jié)構(gòu)分冊)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社,1997.6.

[2] 李積德. 船舶耐波性[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社,2007.10.

[3] IACS. Common Structure Rules for Double Hull Oil Tankers[S]. July.2010.

[4] CB* 3186.1-83. 全國船舶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn). 船體結(jié)構(gòu) 舭龍骨[S].

[5] IACS. Common Structure Rules for Bulk Carriers[S]. July.2010.