基于仿真分析的工作艇吊艇架選型設(shè)計(jì)

申常云 祝文倩

摘 ? ?要：根據(jù)用戶在給定海況條件下安全收放工作艇的需求，對某船所配設(shè)的工作艇吊艇架進(jìn)行選型，并參照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)布置;采用ANSYS AQWA軟件，考慮船與工作艇的耦合作用對其在給定海況條件下的運(yùn)動幅值等進(jìn)行動態(tài)仿真分析，得出吊艇架具備安全作業(yè)的條件、作業(yè)時(shí)間窗口等;經(jīng)實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足用戶及規(guī)范、法規(guī)的要求。

關(guān)鍵詞：吊艇架;工作艇;耦合作用;動態(tài)仿真分析

中圖分類號：U667.6 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Based on the requirement of the users of safely stowing & releasing of workboat under the given sea condition， the type selection of boat davits for a ship and layout design according to the rules are carried out， considering the coupling effect between the ship and workboat， the dynamic simulation analysis of the motion amplitude under the given sea condition in a certain time domain is conducted by using the ANSYS AQWA software， and finally the working conditions & job time window for the operation security of safely stowing and releasing of workboat by boat davit are obtained. Verified by the test of stowing and releasing workboat of the actual ship， the selected workboat davit meets the requirements of the users， rules and regulations.

Key words： Boat davit; Work boat; Coupling effect; Dynamic simulation analysis

1 ? ? 前言

對于需要在風(fēng)浪海況條件較高的水域進(jìn)行收放工作艇作業(yè)的船舶，采用常規(guī)的單吊點(diǎn)起吊方式的艇架裝置難以滿足作業(yè)需求;另一方面，現(xiàn)行法規(guī)、規(guī)范對艇的條文主要是關(guān)于救生艇的配置問題，其關(guān)注點(diǎn)除乘員數(shù)量外，則是在偏靜態(tài)條件下艇的存放、登乘、降落和回收，以及母船的縱傾和橫傾狀態(tài);對于以工程作業(yè)為主的工作艇的配置，以及在某種海況條件下需具備什么樣的收放工作艇的能力則沒有給出衡準(zhǔn)規(guī)定，相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊對這類情形也未給出明確的指引和方法。

結(jié)合作業(yè)方的實(shí)際需求，了解收放作業(yè)時(shí)工作艇的橫搖、縱搖、擺幅、工作窗口等關(guān)鍵控制點(diǎn)，在設(shè)計(jì)選型中考慮作業(yè)方的海況作業(yè)能力需求和法規(guī)對母船的縱、橫傾角的限值，綜合考慮船與工作艇的動態(tài)耦合作用，采用動態(tài)的仿真分析來分別評估單吊點(diǎn)和雙吊點(diǎn)艇架收放工作艇的作業(yè)狀態(tài)，以便得到一個(gè)合適可行的工程結(jié)果。

以某船（以下稱母船）適合三級海況收放工作艇的配套雙吊點(diǎn)起吊方式艇架裝置（以下簡稱雙吊點(diǎn)艇架）的選型設(shè)計(jì)為例，簡要介紹雙吊點(diǎn)艇架的選型、靜態(tài)布置要求、船與工作艇的耦合作用的動態(tài)仿真分析、與單吊點(diǎn)艇架運(yùn)動幅值對比、設(shè)計(jì)方案和試驗(yàn)驗(yàn)證、注意事項(xiàng)等。

2 ? ? 雙點(diǎn)吊艇架方案的技術(shù)可行性

2.1 ? 雙吊點(diǎn)艇架

雙吊點(diǎn)艇架主要有重力倒臂式、重力跨步式、重力滑軌式等型式[1]，其中以重力倒臂式及其改進(jìn)型的應(yīng)用較多。母船所選雙吊點(diǎn)艇架為改進(jìn)的液壓倒臂式雙點(diǎn)吊艇架，此類吊艇架國內(nèi)外有多個(gè)廠家可以生產(chǎn)供貨，設(shè)計(jì)工況可做到母船縱傾10°、橫傾20°。

2.2 ? 工作艇

母船所配工作艇的總長約7.5 m、空艇重約6 t;首尾部位置各設(shè)一套吊鉤裝置，該吊鉤裝置可與雙吊點(diǎn)艇架上的首尾吊環(huán)實(shí)現(xiàn)快速掛鉤和脫鉤，實(shí)現(xiàn)艇的收放。

2.3 ? 雙吊點(diǎn)艇架的靜態(tài)布置要求

雙吊點(diǎn)艇架裝設(shè)在首樓甲板右舷甲板區(qū)域，裝設(shè)吊艇架后通道寬度應(yīng)滿足人員通行要求。

參考國際救生設(shè)備規(guī)則關(guān)于“救生艇在最輕載航行時(shí)縱傾至10°和任何一舷橫傾至20°的不利情況下到達(dá)水面”的規(guī)定[2]，并參考類似船的布置和作業(yè)要求，工作艇收放作業(yè)時(shí)母船橫傾一般不超10°;該船參照“工作艇在最輕載航行時(shí)縱傾至5°和任何一舷橫傾至10°的不利情況下到達(dá)水面” 的規(guī)定[3]進(jìn)行布置，當(dāng)母船為輕載吃水并正浮時(shí)，吊艇架最大跨距狀態(tài)下，工作艇外緣與母船舷側(cè)間距離約1 200 mm，母船橫傾10°收放工作艇時(shí)，工作艇與母船舷部突出構(gòu)件之間仍有間隙，滿足要求，詳見圖1。

2.4 ? 母船和工作艇在三級海況下的動態(tài)運(yùn)動幅值

根據(jù)母船吃水和吊艇架布置情況，吊艇架擺到舷外最大位置時(shí)吊點(diǎn)距離水面約8 m、吊艇架吊鉤裝置頂部距水面約2 m、收放作業(yè)時(shí)鋼絲繩行程約6 m、絞車收放速度取10 m/min、收放時(shí)間約30 s。

建立母船、工作艇、吊艇架等的數(shù)值分析模型后，先進(jìn)行靜水力、規(guī)則波下波浪載荷及系統(tǒng)響應(yīng)、頻域條件下一階波浪力和二階平均漂力的計(jì)算;再進(jìn)行耦合運(yùn)動分析，仿真在不規(guī)則波下船體的實(shí)時(shí)運(yùn)動;采用ANSYS AQWA軟件對母船三級海況上限（有義波高1.25 m、風(fēng)速10.7 m/s、流速1.03 m/s）時(shí)，180°、225°、270°幾個(gè)典型浪向下單吊點(diǎn)及雙吊點(diǎn)收放作業(yè)進(jìn)行模擬計(jì)算，動態(tài)仿真計(jì)算時(shí)長取40 s（較收放時(shí)間適當(dāng)放長）。

經(jīng)分析計(jì)算結(jié)果，母船在三級海況收放工作艇作業(yè)狀態(tài)下，橫搖角均小于5°、縱搖角均小于2°;采用雙吊點(diǎn)吊艇架收放工作艇時(shí)，工作艇的橫搖、縱搖最大值比單吊點(diǎn)吊放方式分別減少30%～70%，并大幅度地減小了工作艇自身的運(yùn)動幅度，詳見圖2、圖3所示;同時(shí)，采用雙吊點(diǎn)吊艇架，還較好地解決了工作艇在風(fēng)浪中的首尾擺動問題。

采用雙吊點(diǎn)吊艇架后，降低了工作艇的擺幅：收艇時(shí)擺幅減少45% ～78%;放艇時(shí)擺幅減少23% ～76%，詳見圖4所示。

根據(jù)仿真分析結(jié)果，三級海況下收、放工作艇具有較好的工作窗口，但在橫浪狀態(tài)下工作艇的擺幅較大，此外，海上風(fēng)浪有不規(guī)則性，建議在使用時(shí)采用有利船位，即船首左舷頂浪，有利浪向角范圍180°～ 225°之間;并盡可能利用搖擺較小的工作窗口，提高作業(yè)成功率。

綜上所述，在設(shè)計(jì)海況為三級海況及以下時(shí)，采用雙吊點(diǎn)吊艇架可以滿足收放工作艇的作業(yè)條件。

3 ? ?設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案包括：工作艇、雙吊點(diǎn)艇架及其布置、船甲板結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)、吊艇架試驗(yàn)等方面。

3.1 ? 工作艇

工作艇為雙吊點(diǎn)起吊，在工作艇的上甲板中線面處裝設(shè)首尾吊鉤裝置，首尾吊鉤間距與雙吊點(diǎn)艇架匹配，吊鉤裝置與艇體結(jié)構(gòu)可靠連接并相應(yīng)加強(qiáng);吊鉤裝置可遙控脫鉤與手動掛鉤，具有帶負(fù)載脫鉤的能力，當(dāng)艇浮于水面時(shí)或在緊急情況下能快速脫鉤;在艇上的操艇部位設(shè)有可同時(shí)脫開首尾吊鉤的脫鉤手柄;該吊鉤裝置可與雙點(diǎn)吊艇架上的首尾吊環(huán)實(shí)現(xiàn)快速掛鉤和脫鉤，實(shí)現(xiàn)艇的收放;工作艇吊鉤裝置處的空間需滿足人員操作要求。

3.2 ? 雙吊點(diǎn)艇架

雙吊點(diǎn)艇架主要技術(shù)性能參數(shù)如下：

（1）安全工作負(fù)荷（SWL）大于工作艇的滿載重量，并考慮適當(dāng)裕度;

（2）絞車下放/提升速度一般為10 m/min;

（3）母船允許最大工作傾角為：橫傾10°;縱傾5°;

（4）收放作業(yè)海況為三級海況及以下;

（5）配備電動液壓泵站為臂架液壓油缸提供動力，并視情考慮備份;

（6）配備電動起艇絞車控制艇的起升和下降。電動絞車主要由電動機(jī)（帶制動器）、減速箱、卷筒、限速器等組成;

（7）母船需為吊艇架提供一路電源，其容量滿足液壓泵站及電動絞車的要求。

3.3 ? 雙吊點(diǎn)艇架布置

（1）雙吊點(diǎn)艇架裝設(shè)在首樓甲板右舷FR38～FR50肋位處，距中約3.9 m到舷邊的甲板區(qū)域;

（2）艇架電動液壓泵站、電動起艇絞車裝設(shè)于艇架近處合適位置，操縱臺設(shè)于右舷舷邊處以便于觀察和操控;

（3）裝設(shè)艇架后的通道需滿足人員通行要求，且裝設(shè)艇架后不影響周邊其他設(shè)備;

（4）按母船處于輕載水線計(jì)，艇架吊鉤行程約6m。

3.4 ? 船體甲板結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)

在雙吊點(diǎn)艇架、絞車等對應(yīng)位置，甲板下結(jié)構(gòu)應(yīng)作局部加強(qiáng)。

4 ? ?試驗(yàn)驗(yàn)證

母船裝設(shè)雙吊點(diǎn)艇架后，按要求進(jìn)行吊艇架系泊和航行試驗(yàn)，再進(jìn)行三級海況收放效用試驗(yàn)。經(jīng)實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析結(jié)果比較接近，滿足規(guī)定的要求;與單吊點(diǎn)艇架收放工作艇對比，收放作業(yè)時(shí)工作艇自身的運(yùn)動幅度、擺幅明顯改善，達(dá)到預(yù)期效果。

5 ? ?注意事項(xiàng)

在三級及以上海況下進(jìn)行工作艇收放作業(yè)，需考慮較高海況條件下工作艇收放作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)前充分了解作業(yè)工況條件;設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)結(jié)合母船的具體情況，對人員上下工作艇的位置空間、工作艇的存放綁扎固定、母船舷邊的導(dǎo)纜拉纜羊角等輔助設(shè)施作出合理可行的方案，并要求用戶選擇較有利的作業(yè)時(shí)間窗口，平時(shí)加強(qiáng)訓(xùn)練人員與工作艇的操作配合訓(xùn)練，確保實(shí)際作業(yè)時(shí)按流程操作、安全收放。

6 ? ?結(jié)束語

針對目標(biāo)用戶在相關(guān)海域的工作艇收放作業(yè)需求，綜合考慮船與工作艇、人與工作艇等動態(tài)條件下的相互作用，通過對三級海況下雙吊點(diǎn)吊艇架與單吊點(diǎn)吊艇架收放工作艇的運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行仿真分（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）

析，并提出可滿足實(shí)船操作的吊艇架選型設(shè)計(jì)方案。在此過程中，把法規(guī)關(guān)注的船舶狀態(tài)和作業(yè)人員關(guān)注的海況動態(tài)條件下的作業(yè)能力協(xié)調(diào)統(tǒng)一，這種解決思路和方法，可為現(xiàn)階段無衡準(zhǔn)而又有實(shí)際需求的類似項(xiàng)目提供有益參考。

參考文獻(xiàn)

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[2]國際救生設(shè)備規(guī)則（LSA code）[S].

[3] GJB4000-2000艦船通用規(guī)范[S].