浮船塢抱樁系泊裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

袁元濤

摘 要：以提高浮船塢運(yùn)行效率為前提，針對(duì)浮船塢抱樁系泊裝置結(jié)構(gòu)展開分析。介紹浮船塢抱樁系泊裝置結(jié)構(gòu)，并對(duì)其展開受力分析，最后從優(yōu)化設(shè)計(jì)思路及方法、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)兩個(gè)方面闡述結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期能夠設(shè)計(jì)最佳抱樁系泊裝置結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)浮船塢的有效運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：浮船塢;抱樁系泊裝置;船舶建造;沉船打撈

中圖分類號(hào)：U656? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）10-0069-02

浮船塢是船舶建造領(lǐng)域的一種工程船舶，可以用于船舶修建、沉船打撈、深水船舶運(yùn)輸?shù)?。最初修建浮船塢的目的和干船塢相同，即船舶水下部分、推進(jìn)器、舵等裝置的檢修，船舶水上部分、船舶機(jī)械裝置也可以及時(shí)進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)。如果浮船塢處于泊碇狀態(tài)受到水流力、風(fēng)力等的沖擊，可能無法維持正常運(yùn)行，為了解決該問題需要設(shè)計(jì)系泊裝置。通常浮船塢泊碇包括錨泊泊碇、抱樁泊碇這兩種形式，相比之下抱樁泊旋對(duì)于附近水域的影響較小，浮船塢平面位置維持不變，為岸塢設(shè)備運(yùn)輸提供便利條件。浮船塢抱樁泊碇裝置中有導(dǎo)柱、卡環(huán)這兩個(gè)裝置，導(dǎo)柱、卡環(huán)二者帶有配合關(guān)系，這樣一來使導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)尺寸成為卡環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要影響因素。所以，浮船塢抱樁系泊裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。

1 浮船塢抱樁系泊裝置結(jié)構(gòu)與方式

浮船塢采用抱樁形式泊碇，抱樁裝置由卡環(huán)和導(dǎo)柱組成，卡環(huán)設(shè)于水工建筑上，導(dǎo)柱設(shè)于塢墻外壁上。導(dǎo)柱上基座上表面和塢頂甲板齊平，導(dǎo)柱下基座固定于下基座底座上。下基座下表面高于塢基線600mm。全船共設(shè)二套抱樁裝置，設(shè)于浮塢左塢墻外側(cè)。

浮船塢抱樁系泊裝置結(jié)構(gòu)主要有兩種：第一，兩根導(dǎo)柱設(shè)于塢體式結(jié)構(gòu)。抱樁系泊裝置包括導(dǎo)柱、卡環(huán)，浮船塢側(cè)面塢墻設(shè)置兩根導(dǎo)柱，并且將卡環(huán)固定于系均壤之上，卡環(huán)內(nèi)圈使用合金塑料，其作用在于緩沖、抗磨損;第二，兩個(gè)卡環(huán)設(shè)于塢體式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)模式主要是在浮船塢側(cè)面塢墻上安裝卡環(huán)，導(dǎo)柱固定于系塢墩;第三，導(dǎo)槽式結(jié)構(gòu)。導(dǎo)槽式結(jié)構(gòu)是導(dǎo)柱的一種變形形式，系泊導(dǎo)槽設(shè)置于浮船均側(cè)面塢墻，可以取代導(dǎo)柱，導(dǎo)槽內(nèi)壁設(shè)置了鑄鋼滑板，中間留有一定縫隙支持滑板、橫桿連接，橫桿其中一端被固定在系塢壤。利用導(dǎo)槽內(nèi)部滑板的滑動(dòng)，浮船塢可以順利實(shí)現(xiàn)升沉運(yùn)動(dòng)[1]。

2 抱樁系泊裝置受力分析

2.1抱樁泊碇外力

（1）風(fēng)力。浮船塢抱樁處于泊碇狀態(tài)時(shí)，要想躲避風(fēng)力將工作海域轉(zhuǎn)移，或者使浮船塢受風(fēng)方向發(fā)生改變難度較大[2]。因此，在浮船塢運(yùn)營期間有可能會(huì)受到工作海域風(fēng)力影響。如果不能保證暴風(fēng)發(fā)生過程中浮船塢的塢內(nèi)無船，需要將抬船工況當(dāng)作浮船塢計(jì)算工況，若相反則能夠?qū)⒖諌]狀態(tài)當(dāng)作計(jì)算工況。

（2）水流力。浮船塢處于泊旋狀態(tài)下附近水域的水流為順流。

（3）波浪力。波浪本身會(huì)對(duì)浮船塢抱柱泊碇裝置有一定的作用，也可以作用于水上固定建筑物。直立墻面上波浪會(huì)形成反射，如果水面達(dá)到一定深入，向浮船塢提供垂直作用的波浪會(huì)在浮船塢的塢墻上形成反射，從而得到立波。

2.2浮船塢抱樁泊碇計(jì)算工況

浮船塢計(jì)算工況主要有臺(tái)風(fēng)工況、最大沉深工況、抬船工況等幾種，因?yàn)樵谧畲蟪辽顩r、抬船工況，且風(fēng)力小于6級(jí)的條件下，浮船塢波浪力、風(fēng)力與臺(tái)風(fēng)工況相比前者較小，所以受力分析也是以臺(tái)風(fēng)工況的計(jì)算為主[3]。

2.3浮船塢抱樁泊碇外力

按照抱樁泊碇抱樁設(shè)計(jì)規(guī)范，針對(duì)專家提出的評(píng)審建議進(jìn)行審核，風(fēng)載荷、波浪載荷計(jì)算需要按照如下數(shù)據(jù)展開：

（1）風(fēng)載荷。50年一遇NW向，風(fēng)速為30m/s;

（2）波浪參數(shù)。50年一遇NE向，波浪的波壓力計(jì)算需要以如下數(shù)據(jù)為依據(jù)展開計(jì)算：小風(fēng)區(qū)波浪H1%=1.6m，T=4s，外海傳入波浪H1%=0.9m，T=7.6s，波浪載荷計(jì)算選取計(jì)算較大值[4]。

3 浮船塢抱樁系泊裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟

因?yàn)閷?dǎo)柱受到的外力均是向?qū)е獍迨┘樱饬υ趯?dǎo)柱外板的作用下向?qū)е械钠溆鄻?gòu)件傳遞，所以結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，主要是將導(dǎo)柱直徑、導(dǎo)柱外板厚度當(dāng)作核心設(shè)計(jì)變量[5]。導(dǎo)柱直徑、導(dǎo)柱外板板厚屬于離散型變量范疇。導(dǎo)柱直徑變化量設(shè)置為100mm，導(dǎo)柱外板板厚的變化量設(shè)置為2mm。同時(shí)，導(dǎo)柱中部受力組主要是浮船塢在最危險(xiǎn)受力工況的基礎(chǔ)上導(dǎo)柱受到的外力作用。

當(dāng)導(dǎo)柱直徑、導(dǎo)柱外板厚度變化范圍確定之后，設(shè)計(jì)人員需要將參數(shù)值輸入到VB.NET參數(shù)化建模平臺(tái)當(dāng)中，輸入完畢點(diǎn)擊生成命令獲得APDL命令流文件，通過ANSYS計(jì)算功能讀取APDL命令流文件，構(gòu)建有限元模型。隨后將完成構(gòu)建的有限元模型文件打開，向其施加外載荷，并且明確邊界條件，通過計(jì)算獲得導(dǎo)柱模型質(zhì)量，分析之后對(duì)所有受力下應(yīng)力規(guī)范性進(jìn)行檢查，確定其符合許用應(yīng)力值規(guī)定之后對(duì)比模型重量，選擇最輕的模型，選擇模型結(jié)構(gòu)所有參數(shù)值便是最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，以此獲得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最佳方案。

3.2 導(dǎo)柱基座強(qiáng)度校核

（1）基座反力

式中：a值在抬船工況高潮位時(shí)=1.75m，最大，但支座A處的總應(yīng)力中，所引起的彎矩應(yīng)力數(shù)值大，因此在a=3.075m，雖小，但總應(yīng)力反而大（分析計(jì)算略），故a取為3.075。

上支座反力其最大值應(yīng)在抬船工況低潮位時(shí)a最大時(shí)（a=7.59m）有最大值，很明顯<，而上下支座的支承情況相同，故以最大受力狀況（由前計(jì)算>）僅校核下支座。

（2）支座及導(dǎo)柱重力

力作用點(diǎn)至塢墻距離LC：2.4m

3.3載荷計(jì)算

浮船塢處于最危險(xiǎn)受力工況下導(dǎo)柱縱向的載荷是1300t，橫向載荷即為1600t。在外力作用下導(dǎo)柱的力向外板半個(gè)圓周面施加分散力，隨后加載模型的過程中，導(dǎo)柱承受壓力通過擬合成為正弦曲線分布要求模式，載荷則按照模型需求對(duì)面單元數(shù)進(jìn)行加載，并且分解面單元導(dǎo)柱圓周面中角度、面單元面積，確保擬合導(dǎo)柱受力準(zhǔn)確性。計(jì)算結(jié)束后利用GUI操作List>Results>Nodal loads>All struc fore F的方式檢查不同軸方向合力，確保載荷方向與大小的準(zhǔn)確性。

3.4計(jì)算結(jié)果對(duì)比與分析

（1）當(dāng)導(dǎo)柱直徑為2000mm時(shí)，導(dǎo)柱外板厚度、計(jì)算載況不同，與之相應(yīng)的最大等效應(yīng)力值也存在差異，具體見表1。

（2）當(dāng)導(dǎo)柱直徑為2200mm時(shí)，導(dǎo)柱外板厚度、計(jì)算載況相應(yīng)的最大等效應(yīng)力值見表2。

（3）當(dāng)導(dǎo)柱直徑為2400mm時(shí)，導(dǎo)柱外板厚度、計(jì)算載況相應(yīng)的最大等效應(yīng)力值見表3。

通過表1～表3數(shù)據(jù)可知，導(dǎo)柱直徑為2000mm，板厚T<44mm時(shí)，導(dǎo)柱模型的應(yīng)力與許用值規(guī)定不符，當(dāng)導(dǎo)柱直徑為2200mm，板厚T<40mm時(shí)，導(dǎo)柱模型應(yīng)力與許用值規(guī)定不符，導(dǎo)柱直徑為2400mm，板厚T<38mm時(shí)，導(dǎo)柱模型應(yīng)力與許用值規(guī)定不符。為此需要優(yōu)化模型重量，從之前的94.577t優(yōu)化為93.345t，因?yàn)閷?dǎo)柱直徑減小，所以活動(dòng)卡環(huán)、固定卡環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中尺寸同樣會(huì)隨之減小，從而達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)重量的目的。

4 結(jié)束語

綜上所述，浮船塢抱樁系泊裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，期間需要明確常見結(jié)構(gòu)，了解裝置受力情況，采用合適的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。一方面能夠使抱樁系泊裝置更加高效的運(yùn)行，另一方面則能夠?yàn)楦〈瑝]作用的發(fā)揮提供條件。今后開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，需要調(diào)整設(shè)計(jì)變量數(shù)量，比如導(dǎo)柱與上下基座的高度，使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)更加深入。

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