地腳螺栓與跨舷作業(yè)設備的配合分析

湯清之

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

船舶舾裝/ 疏浚/ 特機

地腳螺栓與跨舷作業(yè)設備的配合分析

湯清之

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

地腳螺栓是綜合型科考船普遍配置類似螺栓孔的一種通用緊固件。這些地腳螺栓一般都均勻地分布于作業(yè)甲板和實驗室，起到固定科考設備、儀器的作用。通用型科考船往往會根據(jù)不同航次的任務需求攜帶、裝備各類科考設備、儀器，文中著重分析地腳螺栓與跨舷作業(yè)設備的配合計算。

科考船；地腳螺栓；跨舷作業(yè)設備；甲板通用固定件

引 言

隨著海洋權(quán)益爭端日趨激烈，對于海洋物理、地質(zhì)、生物等深入了解已迫在眉睫，而目前我國對于海洋多學科考察能力的欠缺已經(jīng)逐漸暴露。所以，大型綜合型科考船將是目前需求量較大的一種船型。其具備多學科同時作業(yè)的能力，并擁有和陸上基本同等能力的實驗室，更可以根據(jù)不同航次的任務要求攜帶、裝備各類科考設備、儀器；而目前在大多數(shù)科考船上用來臨時固定這些科考設備和儀器的手段仍是使用集裝箱固定件以及地腳螺栓等。

本文涉及的地腳螺栓是指均勻布設在作業(yè)甲板和實驗室的螺栓座還有與其對應的螺栓。臨時搭載上船的科考設備為了避免船舶橫搖、縱搖等運動造成位移，往往通過螺栓與螺栓座連接。對于需要跨舷作業(yè)的設備，由于有額外的彎矩，其與地腳螺栓的配合需要特殊考慮。

在科考船方案設計階段，可以預估裝船的可移動跨舷作業(yè)設備是非常有限的，而且只有載荷等數(shù)據(jù)相對確定，而設備的外形尺寸，特別是底腳尺寸只有近似值。為了保證所有可移動安裝的作業(yè)設備都能在船上妥善安裝，在方案設計階段有一套切實可行的簡化計算方法是非常有必要的。這套方法既能輔助設計地腳螺栓的安全工作負荷、數(shù)量、位置等，又能在地腳螺栓設計布置完之后反向限制跨舷作業(yè)設備的載荷與跨距等。

1 移動式跨舷作業(yè)設備簡介

移動式跨舷作業(yè)設備是科考設備的一種，一般分為操控支撐部分和探測部分。安裝形式為操控支撐部分通過地腳螺栓安裝在舷內(nèi)，承擔受力任務；探測部分通過操控支撐部分跨出舷外而被投入海中完成作業(yè)?？瓶即纱钶d移動式跨舷作業(yè)設備的數(shù)量、品種及能力已成為考核該船綜合科考能力的重要指標。以下介紹兩種常見的大負載移動式跨舷作業(yè)設備。

1.1 ROV A架與專用絞車

鑒于某些科考船尾部A架的任務負擔較重，或者其設計時并未考慮到與某些型號的ROV配合，在執(zhí)行需要搭載ROV的任務時，可能會同時搭載專用的舷側(cè)A架以及配套的臍帶纜絞車。由于ROV具有較大自重，且舷外作業(yè)的跨距大，力臂也相應很大；如果再考慮跨舷作業(yè)時的高海況，作用到地腳螺栓螺栓陣的彎矩則會非常大。

1.2 移動船載溫鹽剖面儀

在海洋調(diào)查研究過程中，對海水溫、鹽、深的測量是最關(guān)鍵的幾個水文要素。目前國內(nèi)對于該數(shù)據(jù)的獲取大多是采用定點溫鹽深儀（簡稱CTD）進行測量，但由于儀器和海況等方面的原因，在這些斷面上設定的站點非常有限；且各個站點之間的距離較大，因而不能很好反映海洋內(nèi)部的一些細微結(jié)構(gòu)［1］。為了獲得較好的連續(xù)性和高分辨率斷面溫、鹽、深數(shù)據(jù)，大多數(shù)科考船都會安裝移動船載溫鹽剖面儀（Moving Vessel Profiler，簡稱MVP），對于通用型科考船，為了保證設備的可切換性，也可采用可移動安裝方式。

2 通用固定件螺栓組受力分析

一般而言，地腳螺栓螺栓組會等間距地布置成一個矩陣（如圖1所示），跨舷作業(yè)設備可以簡化為一個吊重模型（如圖 2所示）。

圖1 地腳螺栓

圖2 跨舷作業(yè)設備受力模型

舷外的垂向力可以移動至舷內(nèi)設備重心處，這樣就把舷外的垂向力P1轉(zhuǎn)化為舷內(nèi)的垂向力P2以及彎矩M［2］。

根據(jù)《CCS鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范2012》［3］第二篇第3章3.2.2.5節(jié)中對錨機螺栓組的計算，由于受力模型類似，故將其引用至計算螺栓組。在x方向上：

式中：Rxij為x方向彎矩作用在第i行第j列螺栓上的軸向力，kN；Mx為x方向彎矩，kN；Xij為第i行第j列螺栓到整個螺栓組重心的x坐標值（cm），彎矩受拉邊為正；Aij為第i行第j列螺栓剖面面積， cm2；Ix為螺栓組對y軸的慣性矩之和，

螺栓組的定位如圖3所示。

圖3 跨舷作業(yè)設備受力模型

同樣，在y方向上：

式中：Ryij為y方向彎矩作用在第i行第j列螺栓上的軸向力，kN；My為y方向彎矩，kN；Yij為第i行第j列螺栓到整個螺栓組重心的y坐標（cm），彎矩受拉邊為正；Aij為第i行第j列螺栓剖面面積， cm2；Iy為螺栓組對x軸的慣性矩之和，

所以，對于第i行第j列螺栓的合成軸向力Rij應為：

式中：Rsij為設備重量作用在第i行第j列螺栓的靜反力，kN；Pij為轉(zhuǎn)化后的舷內(nèi)垂向力P2作用在第i行第j列螺栓的靜反力，kN。

在實際布置科考設備時，我們一般總會考慮在舷側(cè)或者船尾一個方向來供設備工作，所以為了簡化問題，可以把式（3）簡化為：

式中：RDij為x或y方向彎矩作用在第i行第j列螺栓上的軸向力，kN。

3 配合受力分析

3.1 承擔跨舷彎矩的幾個要素

在進行地腳螺栓設計時，一般根據(jù)作業(yè)甲板強度以及螺栓件的材料、科考作業(yè)預期搭載設備等確定地腳螺栓單個螺栓的SWL。由于船舶尺度和科考側(cè)重點的不同，此SWL的數(shù)值會不盡相同，我們暫定某型船的地腳螺栓單個螺栓的安全工作負荷（SWL）為Q（單位：kN），接下來將校核：

故對于已經(jīng)確定的地腳螺栓陣列，如果在方案階段就已知某個方向上的彎矩的數(shù)值（最危險工況），則需要提前設計通用固定件的間隙、數(shù)量和SWL，也即

由于沿彎矩方向螺栓行數(shù)的奇偶性對中和軸有影響，所以在此我們分情況進行討論。

3.1.1 通用固定件矩陣j為偶數(shù)

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j = 2k （k=1，2，3…kmax），顯然在最遠離中和軸的一行受力最大，即Xijmax=（kmax-0.5）d，見下頁圖4。

令總行數(shù)imax= m，總列數(shù)jmax= n，顯然

圖4 偶數(shù)個螺栓的情況

3.1.2 當通用固定件矩陣j為奇數(shù)

j = 2k+1 （k=1，2，3…kmax），顯然在最遠離中和軸的一行受力最大，即Xijmax= kmaxd，如圖5所示。

圖5 奇數(shù)個螺栓的情況

同令imax= m，jmax= n，顯然

故以上兩種情況可以歸結(jié)為：

綜上所述，地腳螺栓的數(shù)量、間距以及軸向安全工作負荷是承擔跨舷彎矩的幾個重要因素。在實際船舶設計時，Q根據(jù)結(jié)構(gòu)、螺紋能夠負擔的載荷確定， d根據(jù)結(jié)構(gòu)形式確認（一般會選為肋骨間距），而Mmax是設備本身屬性。所以對于某特定設備在某科考船上安裝的情況，我們僅能夠通過調(diào)整通用固定件的數(shù)量特征（也即矩陣的行數(shù)和列數(shù)）來滿足裝船要求的載荷。

3.2 對于數(shù)量特征的深入分析

對于工程設計而言，一個非常重要的考慮因素就是經(jīng)濟性。如果通用固定件所用的螺栓總數(shù)被限定為S，也即m×n=S，在該條件下求數(shù)量特征值最大的矩陣的行數(shù)和列數(shù)。

可見，看到在自然數(shù)范圍內(nèi)，n取到最大（也即m取到最?。r，數(shù)量特征函數(shù)有最大值。也即在恒定的螺栓個數(shù)下，行數(shù)大而列數(shù)小的狹長型矩陣有最好的經(jīng)濟性。

所以，可以看出數(shù)量特征函數(shù)隨著行數(shù)n的增長而增長，且增速越來越快。也即在一般情況下，增加通用固定件的行數(shù)要比增加通用固定件的列數(shù)效率來得高。

如果我們分析列數(shù)m和行數(shù)n對F（m，n）的影響，則可分別定義為列增幅函數(shù)h（m）和目前數(shù)量特征函數(shù)的比值，以及行增幅函數(shù)g（n）和目前數(shù)量特征函數(shù)的比值：

并分別繪制成曲線，其區(qū)別就顯而易見。

參照該曲線，我們發(fā)現(xiàn)列數(shù)的增加對數(shù)量特征函數(shù)的貢獻始終不及行數(shù)增加來得多，但是兩者的差距在個數(shù)增多的情況下會越來越小。設計者可以選取合適的矩陣行數(shù)和列數(shù)。

圖6 行數(shù)、列數(shù)對數(shù)量特征函數(shù)的影響

3.3 正方形矩陣的特殊情況

根據(jù)上文所述，誠然通用固定件矩陣的行列比越大越好，但是實際設計過程中，大多數(shù)設備的基座都是接近正方形的。所以，我們在此分析正方形矩陣這一特例，其在實際設計過程中運用最廣泛，在前期方案論證中評估正方形的矩陣也最行之有效。

當通用固定件矩陣的行數(shù)等于列數(shù)（即m=n）時，該矩陣成為正方形矩陣，數(shù)值特征函數(shù)也變?yōu)椋?/p>

將其代入式（6），可得：

根據(jù)求解一元三次方程盛金公式［4］

根據(jù)該公式，我們可以根據(jù)跨舷作業(yè)設備的外載荷預報實際需要的正方形矩陣大小，并迅速完成布置方案。

4 結(jié) 論

本文重點闡述了地腳螺栓在配合跨舷作業(yè)設備固定時需滿足的一些力學要求。誠然，在推導過程中忽略了設備自重和垂向力在螺栓上的作用力，但是由于這些作用力方向向下與彎矩產(chǎn)生的力方向相反，對螺栓而言是較安全的，在工程問題上也是可接受的；在跨舷作業(yè)設備切應力的分析上，本文限于篇幅并未展開。但是，由于其與拉應力相比數(shù)值很小，工程上的解決手段也非常多樣，所以本文所述的力學計算方法在評估裝船的跨舷作業(yè)設備與地腳螺栓矩陣的設計是否匹配方面是切實可行的，特別是在方案設計階段，這種快速的評估手段能夠有效幫助設計師對跨舷作業(yè)科考設備的選型，也能指導對地腳螺栓矩陣的增減或修改。

［1］ 劉長建，毛華斌，陳榮裕，等. 南海北部海洋溫、鹽調(diào)查研究——2004年9月南海北部開放航次移動船載溫鹽剖面儀觀測 ［J］. 熱帶海洋學報，2005（1）：89-90.

［2］ 濮良貴，紀名剛. 機械設計［M］. 第8版. 北京：高等教育出版社，2006：92-93.

［3］ 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范 2012（第二分冊） ［S］. 2012.

［4］ 范盛金. 一元三次方程的新求根公式與新判別法［J］.海南師范學院學報（自然科學版）， 1989（2）：91-98.

Analysis of match between anchor bolt and overboard working equipment

TANG Qing-zhi
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The anchor bolt, similar as the bolt hole, is a general fastener commonly used on the multi-purpose research vessels. These anchor bolts are usually installed uniformly on the working deck and laboratory decks to fi x the working equipments and scientifi c instruments. The multi-purpose research vessels often carry the various working equipments and scientifi c instruments according to the diff erent mission requirements. The investigations focus on the calculation of the match between the anchor bolt and the overboard working equipment.

research vessel; anchor bolt; overboard working equipment; deck general fastener

U671.91

A

1001-9855（2017）02-0071-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.071

2016-07-11；

2016-09-11

湯清之（1989-），男，工程師。研究方向：船舶舾裝。