導向打撈架設計優(yōu)化

侯彬， 鄧智勇， 曾釹釙， 高劍

（1.中國人民解放軍92267部隊，山東青島266102；2.武漢第二船舶設計研究所，武漢430064）

導向打撈架設計優(yōu)化

侯彬1， 鄧智勇2， 曾釹釙2， 高劍2

（1.中國人民解放軍92267部隊，山東青島266102；2.武漢第二船舶設計研究所，武漢430064）

介紹了導向打撈架的設計方案，通過優(yōu)化設計，在保證結構強度、剛度要求的同時，整個結構的重量能滿足工作船的設計要求。導向打撈架的設計實現(xiàn)了浮標的自動回收，提高了整套裝置的作業(yè)效率、作業(yè)的安全性與可靠性。

信號浮標；設計優(yōu)化；導向打撈架；穿浪雙體船

0 引言

信號浮標布放回收裝置安裝在東遠01穿浪雙體工作船的尾部，其主要功能是對浮出水面的信號浮標進行隱蔽性布放與回收，將傳統(tǒng)依靠潛水員下水回收浮標的人工操作方式改變?yōu)榇诤叫兄凶詣硬蹲交厥崭说膭討B(tài)方式。整套裝置主要由導向打撈架、螺旋絲桿、軌道裝置、起吊裝置等組成。本文主要介紹導向打撈架的設計方案，通過計算、分析和優(yōu)化設計，在保證結構強度、剛度要求的同時，整個結構的重量能滿足工作船的設計要求，導向打撈架的設計實現(xiàn)了浮標的自動回收，提高了整套裝置的作業(yè)效率、作業(yè)的安全性與可靠性。

圖1 雙體船艉部結構圖

1 用途與工作原理

信號浮標隨著雙體船片體間水流被V型導向打撈架攔截捕捉并進行定位，通過設在導向打撈架兩邊的螺旋絲桿提升浮標至濕甲板附近，而后經起吊裝置的抓鉤鉤住信號浮標把手，使其回收到船主甲板上。

為保證信號浮標從船底片體間通過后順利回收，本導向架的寬度和深度應與雙體船尾部的形狀以及浮標在水中的浮標相適應。導向架兩側邊緣能盡量靠近雙體船尾部片體的邊緣，保證信號浮標不會從導向架與船體間的空隙處穿過。導向架在工作狀態(tài)下入水深度為1 m，能保證在有一定波浪升沉條件下順利打撈信號浮標。

雙體船到達信號浮標分布水域時，雙體船降低航速至2節(jié)，打撈架通過螺旋升降裝置下放至水中，浮標通過雙體船片體中部進入打撈架，因V字型打撈架的導向作用，浮標被定位到打撈架中點，確認浮標被攔截定位后，提升打撈架至主甲板附近，通過起吊裝置起吊信號浮標至主甲板，完成回收過程。重新將打撈架放入水下，實施對第二個進入定位位置信號浮標的打撈。打撈浮標工作完成后收起打撈架，從水中脫離至主甲板上方，雙體船可高速返航。

2 設計方案

2.1 設計原則

東遠01穿浪雙體工作船為全鋁合金高速雙體船，對重量配置平衡的要求非常高，總體上如何減輕裝置重量避免對船體產生過大影響，如何在盡可能輕的前提下保證裝置的強度，如何避免材料不同及海水鹽霧環(huán)境造成的腐蝕，以及在布置和安裝空間有限的條件下做到信號浮標回收的隱蔽性，這些都給導向打撈架的總體設計帶來了一定難度。為了解決上述問題，在設計中，遵循如下兩個原則：導向打撈架可以上升和下降，但不能影響船舶的航行；限制重量，不能影響雙體船的性能要求。

2.2 結構設計

根據(jù)雙體船的結構特點，導向打撈架為長10m、高3m、最大寬度1.2 m。為適應信號浮標的尺寸，在導向打撈架水線以下及水線以上400 mm的范圍內，采用φ18 mm×3 mm的鋁合金管對導向打撈架進行加密處理，以保證信號浮標能在打撈過程中順利進入預定的提升位置。在導向打撈架的底部（信號浮標定位處），設置2個φ400 mm的定位圓環(huán)，以保證信號浮標在被提升出水面過程中能定位在導向打撈架中而不至于滑出。為保證信號浮標在打撈過程中的安全，對于導向打撈架從底部起往上1 400 mm的范圍內的所有管材進行硫化處理，硫化厚度為2.5 mm，從而保證避免信號浮標在進入導向打撈架的過程中與導向打撈架發(fā)生硬碰撞。

為保證導向打撈架本身強度以及考慮浮標進入導向打撈架后增加的載荷以及水阻等因素，本導向打撈架采用三維框架結構，可以保證導向打撈架在自身重力作用下的垂向位移不大于20mm，在工作速度2節(jié)時，導向打撈架入水最下緣和位移不大于100mm。

2.3 材料設計

導向打撈架的設計，主材選擇與雙體船船體同質的高強度鋁合金（5083）材料，避免材料的不同性造成的腐蝕問題。導向打撈架主要采用的型材為φ55 mm×5 mm鋁合金管。為盡量減小水流沖擊下彎矩的影響，側部采用鋁合金板材連接主框架，板厚30 mm，主框架管連接處局部寬度750 mm，其余部分300 mm。本側立板沿高方向加δ= 10 mm的腹板，并以筋板進行加強，從而增加框架整體的抗彎和抗扭能力，并為框架和提升裝置的連接提供方便。在框架的主要連接部位均用δ＝10 mm的筋板進行連接。

為保證信號浮標在打撈過程中其薄弱部位水聽器的安全，對于導向打撈架從底部起往上1400mm的范圍內的所有管材進行硫化處理，硫化厚度為2.5mm，從而保證信號浮標在進入導向打撈架的過程中與導向打撈架進行軟碰撞。

圖2 導向打撈架結構圖

3 計算仿真

3.1 計算工況

計算工況為：航速2～5節(jié)，四級海況，打撈架受風壓和波浪力作用。

3.2 計算模型

導向打撈架作為裝置的主要設備，對結構強度和重量要求較高。導向打撈架采用30 mm、16 mm、10 mm 3種不同厚度板材以及φ55 mm×5 mm鋁管為主的桁架結構，側面采用30 mm鋁合金板以提高結構的抗彎性能。整個桁架上半部分受空氣阻力作用，入水部分受洋流阻力作用。鋁合金密度為2.802×103kg/m3，彈性模量為70 GPa，強度極限為125 MPa。兩側的板結構使用SHELL63，桁架結構采用BEAM189單元。

圖3 導向打撈架有限元模型

圖4 5節(jié)航速下整體應力云圖

由計算可知：航速達到4節(jié)時，支耳應力峰值開始接近5083鋁合金的設計許用應力；達到5節(jié)時，桁架最大應力已超過設計許用應力。導向打撈架模型強度和剛度不足，存在應力集中的現(xiàn)象，現(xiàn)就四級海況5節(jié)航速的工作環(huán)境下，分析應力分布特點，研究導向打撈架存在的缺陷。通過自定義等值線表，可以突出接近設計許用應力的部位，如圖4，應力為60～140 MPa的部分用紅色表示。

局部應力云圖反映出了結構各部分應力分布的趨勢以及集中點，不同梁之間的應力水平差異很大，表明導向打撈架結構不利于力在材料內部的傳遞，局部存在較大的應力峰值，而其他位置應力相對很小。應考慮采取局部補強的措施或更換更優(yōu)的桁架結構。

3.3 優(yōu)化設計

選取單層水平面桁架結構作為優(yōu)化對象，預置確定位置的部分主梁，φ55 mm×5 mm的BEAM189梁單元，其他間隔布置優(yōu)化2D拓撲優(yōu)化單元SHELL82。通過ANSYS提供的拓撲優(yōu)化模塊，尋找最優(yōu)的傳力路線以確定最佳的桁架結構。

計算得到拓撲分析的密度云圖，如圖6中所示ρ＝0～1（藍～紅），綜合考慮加工工藝等因素，以拓撲優(yōu)化得到的密度云圖為基準構建新的單層桁架模型，尺寸參數(shù)如圖7。

圖5 拓撲優(yōu)化基本模型示意圖

圖6 拓撲優(yōu)化得到的密度云圖

圖7 單層桁架模型

以拓撲優(yōu)化得到的桁架模型為基礎結合原導向打撈架模型，優(yōu)化如下：1）在支耳處下側增加了1塊筋板；2）改變了立桿排列方式；3）改變了水平面內的桁架結構，在部分位置補強筋板。

不同航速下最大應力見表1。

圖8 優(yōu)化后導向打撈架模型

表1 不同航速下應力計算結果

計算表明：使用優(yōu)化后的結構，在不同工況中均可大大降低桁架的應力水平，提高桁架的剛度。

4 結 論

信號浮標布放回收裝置已裝備東遠01雙體工作船4年，經過實船操作、使用，證明導向打撈架設計合理，總體強度、剛度均滿足實際使用要求。整套裝置極大地提高了信號浮標打撈作業(yè)的安全性和工作效率，具有較大的社會、軍事、經濟效益。

［1］ 鋼質海船入級規(guī)范［S］.北京：中國船級社，2009.

［2］ 成大先.機械設計手冊［M］.3版.北京：化學工業(yè)出版社，1993.

（編輯啟 迪）

Research and Manufacture of the Signal Buoy Laying and Recovery Equipment

HOU Bin1， DENG Zhiyong2， ZEMG Nyupo2， GAO Jian2
（1.The Chinese People's Liberation Army 92267 Troops,Qingdao 266001,China；2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan 430064,China）

According to design scheme of the guide salvage frame,optimal designcan,ensure the design requirements of structural strength and stiffness,the total weight of the structure can meet the design requirement the working ship.The optimal design of frame guide salvage realizes automatic recovery of the buoy,improves the safety and reliability of operation,the operation efficiency of the whole device.

signal buoy;laying and recovery;V type salvage frame;big span rise and fall equipment

U 664

A

1002－2333（2014）05－0167－03

侯彬（1977—），男，工程師，主要從事船舶與海洋工程結構物設計制造。

2014-01-15