19.8 m沿海雙體船結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

俞東旭，俞 英，王 健，高蓓科

(1.平湖華海造船有限公司，浙江 平湖 314200；2.上海交通大學(xué)，上海 200063；3.上海賽盟海事技術(shù)有限公司，上海 200063)

0 引言

雙體船因其甲板開(kāi)闊、航行穩(wěn)定、易于操縱等優(yōu)點(diǎn)而倍受世界各國(guó)關(guān)注，成為近年來(lái)迅速崛起的一種高性能船型。雙體船采用強(qiáng)力構(gòu)架(連接橋)將兩個(gè)大小相等、相互平行的船體連成一個(gè)整體，廣泛應(yīng)用于海洋調(diào)查、海上運(yùn)輸、海上救援等近海任務(wù)。連接橋作為雙體船的關(guān)鍵部件，所受的波浪載荷較為復(fù)雜，橫向剛度較常規(guī)船舶偏弱，因此對(duì)雙體船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性能有著至關(guān)重要的影響[1]。許雙喜等[2]對(duì)某內(nèi)河雙體集裝箱船開(kāi)展了橫彎強(qiáng)度縮比模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真分析，并采用圓弧過(guò)渡有效緩解了在連接橋底板折角處的應(yīng)力集中；于興鵬等[3]對(duì)某雙體風(fēng)電運(yùn)維船建立整船有限元模型，根據(jù)雙體船各部位的應(yīng)力分布規(guī)律，對(duì)連接橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案調(diào)整；張旭等[4]采用有限元仿真方法對(duì)一艘新型小水線面雙體船進(jìn)行強(qiáng)度校核，研究在橫向載荷作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和應(yīng)力分布特性，進(jìn)而給出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。由此可見(jiàn)，船型、作業(yè)工況、航行海況等因素都對(duì)雙體船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和應(yīng)力分布特性有著重要的影響，需要前期通過(guò)輔助計(jì)算和設(shè)計(jì)來(lái)修正結(jié)構(gòu)參數(shù)。

本文研究的雙體船總長(zhǎng)19.80 m，型寬9.90 m，滿載吃水1.25 m，型深2.50 m，滿載排水量47 t。主船體采用鋼質(zhì)單甲板小水線面雙體形式。推進(jìn)系統(tǒng)采用電力推進(jìn)，由2套柴油發(fā)電機(jī)組供電給兩臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器為全船提供動(dòng)力，主要用途為海上試驗(yàn)保障。由于雙體船結(jié)構(gòu)較為獨(dú)特，航行過(guò)程中所受載荷較多，為此本文結(jié)合沿海雙體船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作特點(diǎn)，對(duì)該雙體船的布置設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究，以提升船舶建造質(zhì)量。

1 機(jī)艙設(shè)備布置優(yōu)化

小型沿海雙體船工作航速低、工作時(shí)長(zhǎng)短、工作海況小。因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)的特殊性，使得其機(jī)艙空間相比普通單體小型船舶更為局促。為了解決小型海上雙體船機(jī)艙設(shè)備布置困難的難題，提出以下優(yōu)化方案：

(1)采用全電推進(jìn)方式

傳統(tǒng)船舶推進(jìn)系統(tǒng)由主機(jī)(柴油機(jī)或推進(jìn)電機(jī))、齒輪箱(或推力軸承)、軸系、螺旋槳組成。本船將傳統(tǒng)的船舶推進(jìn)系統(tǒng)改為由主機(jī)(推進(jìn)電機(jī))、舵槳組成；舵槳推進(jìn)系統(tǒng)采用上安裝形式，既節(jié)能環(huán)保，又便于空間布置。

(2)采用全回轉(zhuǎn)舵槳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

傳統(tǒng)的船舶操縱系統(tǒng)由操舵裝置(駕控臺(tái)+機(jī)房組成)、液壓管路+電路、推舵裝置(液壓油缸)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)(舵柄+舵桿+舵葉)組成?，F(xiàn)將傳統(tǒng)的船舶操縱系統(tǒng)改為由操舵裝置(駕控臺(tái)+機(jī)房組成)、液壓管路+電路、舵槳(具備推進(jìn)與轉(zhuǎn)舵功能)組成。本船轉(zhuǎn)向裝置由全回轉(zhuǎn)形式的舵槳組成，替代常規(guī)舵葉裝置。舵槳裝置由推進(jìn)電機(jī)及其配套的連接軸等組成，舵槳裝置可以 360°轉(zhuǎn)向。

(3)改變傳統(tǒng)的船舶機(jī)艙與舵機(jī)艙的布局方式

傳統(tǒng)的船舶機(jī)艙與舵機(jī)艙為2個(gè)獨(dú)立的艙室。機(jī)艙內(nèi)一般布置有主機(jī)(柴油機(jī)或推進(jìn)電機(jī))、齒輪箱(或推力軸承)、軸系、發(fā)電機(jī)組及其他輔助機(jī)械設(shè)備；舵機(jī)艙內(nèi)一般布置有舵機(jī)泵站、推舵裝置(液壓油缸)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)(舵柄+舵桿)、舵機(jī)電控箱等。這樣的設(shè)計(jì)使得小型船舶的機(jī)艙空間過(guò)于局促，而舵機(jī)艙則相對(duì)寬敞。本船將傳統(tǒng)的船舶機(jī)艙與舵機(jī)艙的布置改為：將主機(jī)從機(jī)艙內(nèi)移到舵機(jī)艙內(nèi)，主機(jī)改為尺寸小且功率大的電動(dòng)機(jī)。優(yōu)化后舵機(jī)艙的空間得到充分利用，見(jiàn)圖1。

圖1 舵槳艙優(yōu)化設(shè)計(jì)圖(側(cè)視圖)

2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化布置

由于艙室空間的局限性，小型沿海雙體船艙室空氣不流通，空氣質(zhì)量差，風(fēng)管布置較為困難，為此提出了以下優(yōu)化方案：

(1)根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分利用有限的空間，借用船舶結(jié)構(gòu)圍壁等構(gòu)件組成合壁風(fēng)管(結(jié)構(gòu)風(fēng)道)，避免制作獨(dú)立風(fēng)道而占用艙室空間，引發(fā)其他布局設(shè)計(jì)問(wèn)題。

本船在機(jī)艙入口(機(jī)艙前端)處利用上層建筑圍壁制作了一道合壁風(fēng)管，在機(jī)艙尾部利用上層建筑圍壁和連接橋抗扭箱結(jié)構(gòu)部分也做了一段結(jié)構(gòu)風(fēng)道。通過(guò)前后設(shè)置進(jìn)出風(fēng)管的方式解決了機(jī)艙空氣對(duì)流問(wèn)題，同時(shí)也避免了在機(jī)艙制作獨(dú)立風(fēng)道而占用的艙室空間。

(2)設(shè)置機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。本船在外圍中后部位的轉(zhuǎn)角處增設(shè)了軸流風(fēng)機(jī)及相關(guān)結(jié)構(gòu)風(fēng)道。通過(guò)增加機(jī)艙的強(qiáng)制機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，解決了在自然通風(fēng)不足的情況下，機(jī)艙內(nèi)新風(fēng)輸入不足問(wèn)題。

(3)充分利用空間對(duì)流的特性和機(jī)械排風(fēng)+自然進(jìn)風(fēng)的綜合進(jìn)風(fēng)方式，實(shí)現(xiàn)艙室內(nèi)的換氣，如本船的衛(wèi)生間、蓄電池間、電氣設(shè)備間，見(jiàn)圖2。

3 連接橋焊接工藝優(yōu)化

由于小型沿海雙體船普遍存在連接橋結(jié)構(gòu)弱且構(gòu)件尺寸無(wú)法做大等問(wèn)題，故而通常在連接橋的首尾部分設(shè)置小型抗扭箱結(jié)構(gòu)，以改善連接橋部分甲板的橫向強(qiáng)度。然而小型抗扭箱箱體空間狹小，人員難以進(jìn)入施焊，為此，對(duì)傳統(tǒng)的焊接工藝和焊接順序進(jìn)行了改進(jìn)。根據(jù)焊接的強(qiáng)度主次要求，采用先焊主甲板及其構(gòu)件，再焊濕甲板構(gòu)件，然后采用小板拼接+塞焊的方式完成抗扭箱底部濕甲板的焊接，從而保證了抗扭箱的總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化布置圖

4 試驗(yàn)裝備收放區(qū)域布置技術(shù)

本文研究的雙體船作為一艘海上試驗(yàn)保障船，經(jīng)常要進(jìn)行設(shè)備投放等操作。在海上進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)備投放與回收過(guò)程中，受風(fēng)浪的影響，作業(yè)過(guò)程中投放與回收難度較大。為此，結(jié)合小型沿海雙體船本身連接橋底部空間的特點(diǎn)，特設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝備收放區(qū)域，見(jiàn)圖3。

圖3 試驗(yàn)裝備收放區(qū)域布置圖

(1)在艉部連接橋區(qū)選擇一塊區(qū)域，將其周?chē)纬梢粔K三面環(huán)合的區(qū)域，以減小試驗(yàn)設(shè)備投放與回收過(guò)程中風(fēng)浪的影響。同時(shí)，在左右片體的內(nèi)側(cè)設(shè)置低于主甲板且靠近水面的作業(yè)平臺(tái)，以提高試驗(yàn)操作的可靠性。

(2)在平臺(tái)內(nèi)側(cè)設(shè)置滑軌和滑蓋，采用電動(dòng)推拉系統(tǒng)。當(dāng)作業(yè)時(shí)，滑蓋可向前滑動(dòng)隱藏到連接橋下面；非作業(yè)時(shí)，滑蓋向后滑動(dòng)封閉該區(qū)域，使該處的連接橋保持完整，可最大程度地降低風(fēng)浪的影響。

5 船首防上浪分水導(dǎo)流裝置設(shè)計(jì)

由于小型沿海雙體船普遍吃水相對(duì)較深，因而船舶在海上作業(yè)時(shí)，容易受到涌浪抨擊傷害，存在較大的安全隱患。為此，特地設(shè)計(jì)了船首防上浪分水導(dǎo)流裝置，以減小海上作業(yè)時(shí)涌浪抨擊的影響。

改變艏部連接橋抗扭箱的外形后，船舶遇到上浪狀況時(shí)，可以進(jìn)行分水導(dǎo)流。其外形特點(diǎn)如下：中部呈尖底，前后為斜板，中前分流尖艏，兩翼呈下壓設(shè)置且成片體內(nèi)側(cè)外板相連，使其橫剖面形狀如同一個(gè)倒“山”字形，見(jiàn)圖4。

圖4 防上浪分水導(dǎo)流裝置底視圖

6 結(jié)論

(1)通過(guò)優(yōu)化船舶推進(jìn)方式、操縱方式及機(jī)艙與舵機(jī)艙的布局方式，實(shí)現(xiàn)了艙室合理布置目標(biāo)，解決了機(jī)艙設(shè)備布置困難的難題。

(2)通過(guò)利用船舶結(jié)構(gòu)圍壁等構(gòu)件組成結(jié)構(gòu)風(fēng)道，設(shè)置機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，采用機(jī)械排風(fēng)+自然進(jìn)風(fēng)等方式，解決了艙室空氣不流通、空氣質(zhì)量差、風(fēng)管布置困難等難題。

(3)通過(guò)設(shè)置小型抗扭箱，改變傳統(tǒng)的焊接工藝和焊接順序，提升了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，解決了連接橋結(jié)構(gòu)弱且構(gòu)件尺寸無(wú)法做大的難題。

(4)通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝備收放區(qū)域，減少了風(fēng)浪影響，確保海上試驗(yàn)設(shè)備投放與回收過(guò)程中的安全可靠。

(5)通過(guò)改變艏部連接橋抗扭箱的外形，將其橫剖面形狀設(shè)計(jì)成倒“山”字形，實(shí)現(xiàn)分水導(dǎo)流作用，減輕了海上作業(yè)時(shí)涌浪抨擊對(duì)船體的傷害。