半潛式游艇運(yùn)輸船艉門緊固裝置反力分析

溫 鑫

（中集來福士海洋工程有限公司，山東煙臺(tái) 264670）

0 引 言

某些船舶為滿足功能需求，會(huì)在艉部設(shè)置可開閉式艉門，形成一個(gè)人員與物流通道，實(shí)現(xiàn)人員、物資等快速上船和下船。艉門開閉有上翻、側(cè)開和下翻等多種形式，其中下翻式艉門因在開啟狀態(tài)下可用作船舶與岸基（或登陸點(diǎn)）之間的連接橋或下水滑道，且具有快速運(yùn)送人員、裝卸物資和收放小艇等優(yōu)點(diǎn)，在船上的應(yīng)用極為廣泛。如何保證艉門的結(jié)構(gòu)安全性是在設(shè)計(jì)艉門時(shí)需考慮的關(guān)鍵問題之一。在進(jìn)行艉門及船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核時(shí)，輸入載荷數(shù)據(jù)必不可少，這就涉及支反力計(jì)算，對(duì)于連接艉門與船體結(jié)構(gòu)的緊固裝置處的支反力，常規(guī)的解法有力法和位移法等，形式繁瑣，計(jì)算過程復(fù)雜，不適于解決復(fù)雜的工程問題。本文以某半潛式游艇運(yùn)輸船為例，對(duì)其艉門緊固裝置的有限元模擬、航行工況中緊固裝置的支反力計(jì)算和規(guī)范要求的冗余設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析。

1 船舶的整體功能特點(diǎn)和主尺度

1.1 整體功能特點(diǎn)

本文所述目標(biāo)船為半潛游艇運(yùn)輸船，可裝卸的貨物為游艇、內(nèi)河游船、拖船、工作艇、其他小艇或浮體和其他甲板貨物等。該船的貨艙采用敞口設(shè)計(jì)，貨物甲板高度為5.9 m。

該船設(shè)計(jì)有舷側(cè)和艉門結(jié)構(gòu)，用于保護(hù)貨物甲板上的貨品在運(yùn)輸過程中不受風(fēng)浪的侵蝕和破壞。艉門的寬度為40 m，高度為8.3 m，類似于滾裝船的跳板，靠液壓缸開啟和關(guān)閉。艉門開啟和關(guān)閉示意圖見圖1。

圖1 艉門開啟和關(guān)閉示意圖

該船干舷甲板的高度為13.5 m，艉門在船舶航行過程中保持水密關(guān)閉狀態(tài)。該船最大半潛深度為13.5 m，在限定海況下進(jìn)行半潛操作。在半潛狀態(tài)下，貨物依靠自身動(dòng)力或通過牽引進(jìn)入運(yùn)輸船中，此時(shí)艉門處于開啟狀態(tài)；待貨物上船之后，運(yùn)輸船上浮，艉門關(guān)閉，固定貨物之后開啟航程。

1.2 主尺度

該半潛游艇運(yùn)輸船的主尺度見表1。本文中描述的坐標(biāo)系方向?yàn)榇w的縱向；方向?yàn)榇w的橫向；方向?yàn)榇w的垂向。

表1 半潛游艇運(yùn)輸船主尺度

2 艉門的功能特點(diǎn)與緊固裝置的限位功能

2.1 艉門的功能特點(diǎn)

該船采用下翻式艉門，其功能特點(diǎn)如下：

1）艉封板處安裝有1 扇水密艉門；

2）艉門底部與船體結(jié)構(gòu)在全寬范圍內(nèi)鉸鏈連接；

3）艉門在船舶航行期間保持水密關(guān)閉狀態(tài)；

4）當(dāng)艉門處于打開狀態(tài)時(shí)，在整個(gè)船體橫向方向和貨物甲板以上從外側(cè)到貨艙區(qū)提供無障礙通道。

2.2 艉門與船體各緊固裝置的限位功能

1）主鉸鏈：位于艉門底部最外側(cè)的鉸鏈，左右舷各1 個(gè)，軸直徑為200 mm，見圖2。

圖2 主鉸鏈?zhǔn)疽鈭D

2）副鉸鏈：艉門底部除了主鉸鏈之外的鉸鏈，左右舷共15 個(gè)，軸直徑為150 mm，見圖3。艉門與船體艉封板結(jié)構(gòu)在主鉸鏈和副鉸鏈處通過銷軸連接，可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，方向線位移與方向線位移關(guān)聯(lián)。

圖3 副鉸鏈?zhǔn)疽鈭D

3）舷側(cè)拉緊銷：艉門關(guān)閉時(shí)通過舷側(cè)拉緊銷使其與船體貼合，限制艉門方向位移，左右舷各3 個(gè)，見圖4。

圖4 舷側(cè)拉緊銷示意圖

4）頂部限位銷：艉門關(guān)閉時(shí)通過頂部限位銷與艉門連接，限制艉門方向位移，左右舷各1 個(gè)，見圖5。

圖5 頂部限位銷示意圖

其他協(xié)助艉門開啟和關(guān)閉的系統(tǒng)或裝置不在船舶航行過程中起作用，不在本文研究范圍內(nèi)。

各緊固裝置的位置見圖6，其中：主鉸鏈標(biāo)號(hào)為左舷-8，右舷8；副鉸鏈標(biāo)號(hào)從左舷至右舷依次為-7 ～7。

圖6 緊固裝置的位置

3 載荷及工況

該船入級(jí)英國(guó)勞氏船級(jí)社。反力計(jì)算的工況包含艉門規(guī)范計(jì)算和全船有限元計(jì)算2 部分。最大反力值是通過全船有限元計(jì)算得到的，艉門規(guī)范計(jì)算是由艉門廠家完成的，本文不作介紹。全船有限元計(jì)算工況由靜水工況和波浪工況組成。

3.1 靜水工況

根據(jù)該船的初步裝載手冊(cè)，選擇3 種典型裝載工況進(jìn)行計(jì)算。

1）LC01：壓載出港，最大靜水彎矩。

2）LC03：滿載出港，最大吃水。

3）LC17：?jiǎn)蝹?cè)裝載800 t貨物出港，對(duì)應(yīng)最大靜水扭矩。

3.2 波浪工況

根據(jù)英國(guó)勞氏船級(jí)社規(guī)范的要求，若尺度比滿足≤5 或≥2.5，則波浪載荷需通過直接計(jì)算來特殊考慮。

該船的尺度比=4.5，=3.3，因此波浪載荷采用直接計(jì)算的方法得到。該船航區(qū)設(shè)計(jì)為無限航區(qū)，選取北大西洋波浪散布圖進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，波浪譜選用P-M譜。超越概率取為10，該數(shù)值大致對(duì)應(yīng)于20 a一遇波浪的設(shè)計(jì)值。浪向在0° ～180°范圍內(nèi)，步長(zhǎng)為30°，共7 個(gè)浪向，其中0°為迎浪方向。采用等效設(shè)計(jì)波法定義作用在有限元模型上的波浪壓力。全船有限元計(jì)算包含4 種典型的設(shè)計(jì)工況。

1）迎浪工況，垂向中拱波浪彎矩和垂向中垂波浪彎矩分別達(dá)到最大值，浪向角為0°。

2）斜浪工況，0.4（距離艉垂線，下同）處波浪扭矩最大，浪向角為120°，將1 個(gè)波浪周期分為20 個(gè)步長(zhǎng)，每一步計(jì)算1 個(gè)工況。

3）橫浪工況，橫搖角最大，浪向角為90°，將1 個(gè)波浪周期分為20 個(gè)步長(zhǎng)，每一步計(jì)算1 個(gè)工況。

4）橫浪工況，水線面處動(dòng)壓力達(dá)到最大，有3 種設(shè)計(jì)波：

（1）0.25處水線面位置動(dòng)壓力達(dá)到最大，浪向角為90°，將1 個(gè)波浪周期分為20 個(gè)步長(zhǎng)，每一步計(jì)算1個(gè)工況；

（2）0. 50處水線面位置動(dòng)壓力達(dá)到最大，浪向角為90°，將1 個(gè)波浪周期分為20 個(gè)步長(zhǎng)，每一步計(jì)算1個(gè)工況；

（3）0.75處水線面位置動(dòng)壓力達(dá)到最大，浪向角為90°，將1 個(gè)波浪周期分為20 個(gè)步長(zhǎng)，每一步計(jì)算1個(gè)工況。

與3.1 節(jié)中的3 種典型裝載工況組合，共需計(jì)算的工況數(shù)量為306 個(gè)。

3.3 工況編號(hào)

為便于描述，對(duì)全船計(jì)算工況進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)3.2 節(jié)中1）～4）的順序依次編為1 ～102，即全船計(jì)算工況為L(zhǎng)C01_1 ～LC01_102、LC03_1 ～LC03_102、LC17_1 ～LC17_102，其中迎浪工況中拱為1，中垂為2。

4 有限元模型

計(jì)算采用整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估的全船有限元模型完成，艉門結(jié)構(gòu)模型按設(shè)備商提供的圖紙構(gòu)建，全船有限元模型見圖7。采用慣性釋放法處理邊界約束。為得到艉門與船體連接處的反力值，需在有限元模型中對(duì)緊固裝置進(jìn)行模擬，艉門與船體連接處主要表現(xiàn)為拉壓關(guān)系，且不同緊固裝置處存在不同大小的間隙，以便安裝配合。根據(jù)實(shí)際載荷傳遞的特點(diǎn)，采用多點(diǎn)約束（Multi-Point Constraints，MPC）模擬艉門與船體之間的連接關(guān)系。主鉸鏈與副鉸鏈處配合間隙為1 mm（認(rèn)為無間隙）；舷側(cè)拉緊銷處配合間隙方向?yàn)?，方向?yàn)?8 mm；頂部限位銷處配合間隙方向和方向均為10 mm。MPC采用rbe2 類型，即剛性連接，從節(jié)點(diǎn)位移與主節(jié)點(diǎn)保持一致。艉門與船體在各緊固裝置處的自由度關(guān)聯(lián)見表2。對(duì)于艉門與船體在舷側(cè)拉緊銷和頂部限位銷處方向存在一定間隙，初步計(jì)算時(shí)不做關(guān)聯(lián)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果的相對(duì)變形值進(jìn)行判斷處理。

圖7 全船有限元模型

表2 艉門與船體在各緊固裝置處的自由度關(guān)聯(lián)

5 計(jì)算結(jié)果

5.1 變形示意圖

典型工況整船和艉門變形示意圖見圖8。

圖8 典型工況整船和艉門變形示意圖

5.2 鉸鏈處z方向反力

由于計(jì)算工況較多，只列出LC03_1 的計(jì)算結(jié)果，鉸鏈處方向和方向反力見表3。

表3 鉸鏈x方向和z方向反力

5.3 舷側(cè)拉緊銷x方向反力和頂部限位銷y方向反力

舷側(cè)拉緊銷取三者中的大者，舷側(cè)拉緊銷方向反力和頂部限位銷方向反力見表4，反力最大工況為L(zhǎng)C03_1。

表4 舷側(cè)拉緊銷x方向反力和頂部限位銷y方向反力

5.4 鉸鏈z向反力修正

上述緊固裝置方向反力是基于舷側(cè)拉緊銷和頂部限位銷處艉門與船體間方向的相對(duì)位移不超過設(shè)置的間隙值獲得的，因此需讀取相應(yīng)的變形值判斷舷側(cè)拉緊銷和頂部限位銷上是否應(yīng)存在方向反力。根據(jù)計(jì)算結(jié)果讀取舷側(cè)拉緊銷處艉門與船體最大方向相對(duì)位移值為14.9 mm，頂部限位銷處最大方向相對(duì)位移值為14.1 mm，因此認(rèn)為舷側(cè)拉緊銷不承受方向力。頂部限位銷在相對(duì)位移超出10 mm 的工況（LC01_1、LC01_2、LC03_1、LC03_2、LC17_1 和LC17_2）中承受方向力，采用在頂部限位銷處施加成對(duì)的內(nèi)力（分別施加在艉門和船體兩側(cè)）的方式控制位移，使得艉門與船體方向相對(duì)位移剛好為10 mm，最后得出修正之后的鉸鏈方向反力見表5。此時(shí)頂部限位銷方向反力見表6。

表5 修正之后的鉸鏈z方向反力

表6 頂部限位銷z方向反力

從表6 中可看出，由于實(shí)際相對(duì)位移超出了設(shè)置的10 mm 間隙，頂部限位銷會(huì)承擔(dān)一部分方向反力，最初得到的主鉸鏈處方向反力值偏大。

6 冗余設(shè)計(jì)的反力

根據(jù)勞氏船級(jí)社規(guī)范的要求，固定裝置和支撐裝置的布置應(yīng)具有冗余設(shè)計(jì)性，以便在任意單個(gè)固定裝置或支撐裝置失效時(shí)，剩余裝置能承受反力的作用，但不超過正常設(shè)計(jì)時(shí)許用應(yīng)力的20%。本文所述船舶的鉸鏈共計(jì)17 個(gè)，舷側(cè)拉緊銷6 個(gè)，頂部限位銷2 個(gè)，理論上每個(gè)工況、每個(gè)裝置失效都需計(jì)算，需計(jì)算的工況共計(jì)7 650 個(gè)，工作量龐大，對(duì)其進(jìn)行判斷篩選十分必要。

失效裝置通過計(jì)算對(duì)要計(jì)算反力的裝置影響最大、反力值最大的工況確定，例如要得到主鉸鏈的方向反力，實(shí)際頂部限位銷、副鉸鏈與其同時(shí)承擔(dān)，但經(jīng)計(jì)算比較得出頂部限位銷產(chǎn)生的影響更大，因此要得到主鉸鏈的方向最大反力，需選擇頂部限位銷失效，同理得到其他裝置冗余設(shè)計(jì)下的反力。緊固裝置冗余設(shè)計(jì)的反力見表7。

表7 緊固裝置冗余設(shè)計(jì)的反力

7 結(jié) 語

通過對(duì)某半潛式游艇運(yùn)輸船艉門和船體緊固裝置的反力進(jìn)行分析，得到的支反力為艉門或船體位置的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)提供了重要的數(shù)據(jù)輸入。冗余計(jì)算既是規(guī)范的要求，也是設(shè)計(jì)者為保證工程安全性而對(duì)此類緊固裝置做的設(shè)計(jì)評(píng)估工作。本文介紹的方法和所得結(jié)論已得到設(shè)備商、船東和船級(jí)社的認(rèn)可，目前該船已投入運(yùn)營(yíng)，運(yùn)行狀況良好，可供同類型運(yùn)輸船設(shè)計(jì)參考。由于可供參考的此類問題較少，本文基于理論計(jì)算分析得到的結(jié)果還需通過實(shí)船運(yùn)營(yíng)和更多類似的工程項(xiàng)目檢驗(yàn)。