某大型重吊船舭龍骨設計

劉相琪 郭培軍

摘? ? 要：舭龍骨是大型重吊船的主要減搖裝置，對船舶航行和穩(wěn)定作業(yè)起著重要作用。本文對某大型重吊船，分別采用V型和單板兩種舭龍骨型式進行設計，并對兩種型式舭龍骨在減搖性能、抗波浪砰擊能力、制作安裝工藝、整體成本等方面進行對比分析，最終確定V型舭龍骨作為某重吊船的減搖裝置。

關(guān)鍵詞：舭龍骨；減搖裝置；重吊船；穩(wěn)定性

中圖分類號：U664.7? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Bilge Keel Design of a Large Heavy Crane Ship

LIU Xiangqi1，? GUO Peijun2，3

（ 1. Leicester International Institute， Dalian University of Technology，? Pan Jin 124221;

2. Shandong Offshore Research Institute CO.， Ltd.，? Qingdao 266555; 3. Shandong Lankun Offshore Co.， Ltd.，? Yantai? 265503 ）

Abstract： Bilge keel is the main anti rolling device of large heavy crane ship， which plays an important role in the stability of ship navigation and operation. In this paper， two types of bilge keel， V-shaped and flat plate， are adopted for the design of a large heavy crane ship， and the two types of bilge keel are compared and analyzed in the aspects of anti-rolling capacity， anti wave slamming capacity， manufacturing and installation process and overall cost，? the V-shaped bilge keel is finally determined as the anti-rolling device of the heavy crane ship.

Key words： bilge keel;? anti-rolling device;? heavy crane ship;? stability

1? ? ?前言

大型重吊船在航行和作業(yè)過程中，船舶穩(wěn)定性至關(guān)重要，而橫搖運動是影響船舶穩(wěn)定性的主要因素，是保證大型重吊船航行和作業(yè)安全的關(guān)鍵。目前大型重吊船大多采用舭龍骨作為減搖裝置，即沿著船長方向在兩舷舭部布置舭龍骨，船舶在水中橫搖時依靠舭龍骨受到的流體動力作用產(chǎn)生穩(wěn)定力矩，增加橫搖阻尼起到減搖作用。減搖作用的大小由舭龍骨的形狀、尺寸、安裝位置等決定，而舭龍骨的形狀、尺寸、安裝位置則需要根據(jù)流線形狀、減搖要求和結(jié)構(gòu)強度等因素綜合權(quán)衡確定。

傅華[1]對國內(nèi)外7個規(guī)范中關(guān)于舭龍骨結(jié)構(gòu)型式、尺寸、端部細節(jié)、位置要求等設計要求進行了比較；甘水來[2]對常規(guī)散貨船和油船舭龍骨的典型結(jié)構(gòu)、尺寸、安裝和焊接要求等給出了建議；林紹昌[3]等闡述了船舶舭龍骨的設計要點，為船舶舭龍骨的設計和選型提供了參考；楊朕[4]等對帶有舭龍骨的穿梭油船建立模型并進行計算分析，結(jié)果表明舭龍骨寬度對船舶粘性橫搖阻尼的影響較大，而舭龍骨長度和安裝角度的影響較小。

本文根據(jù)通用標準規(guī)范，為某大型重吊船設計兩種舭龍骨型式，并選取舭龍骨制作安裝工藝、整體成本、減搖性能、抗波浪砰擊能力等4個評價指標，對兩種舭龍骨進行分析，通過權(quán)衡最終確定舭龍骨設計。

2? ? ?舭龍骨設計

某型重吊船船長236.8 m、垂線間長228.2 m、船寬56 m、型深16 m，配備5 000 t重吊，可用于大型海工結(jié)構(gòu)物吊裝、大型海上風機安裝等海工作業(yè)。由于海工作業(yè)的穩(wěn)定性對作業(yè)精度和安全有很大的影響，舭龍骨又是船舶穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，所以舭龍骨的設計對于重吊船的性能至關(guān)重要。

根據(jù)船舶設計實用手冊等標準、規(guī)范[5]-[9]中的舭龍骨設計原則，對某重吊船舭龍骨設計如下。

2.1? ?舭龍骨結(jié)構(gòu)型式

舭龍骨結(jié)構(gòu)型式，一般可分為V型和單板型兩種，如圖1、2所示。

V型與單板型舭龍骨各有優(yōu)劣，本文對兩種型式進行設計并進行對比分析，所選V型舭龍骨為雙板夾角為30°的結(jié)構(gòu)型式，而單板舭龍骨則直接采用球扁鋼型式。

2.2? ?舭龍骨尺寸

1）寬度

圖3為某重吊船的中剖面圖，舭龍骨的寬度要控制在折線DKF范圍以內(nèi)，據(jù)此得到舭龍骨寬度最大值為620 mm。對于V型舭龍骨，本船選用600 mm寬度；對于單板舭龍骨，由于常規(guī)球扁鋼最大高度為430 mm，本船舭龍骨不期望通過焊接一段扁鋼方式加高球扁鋼，故單板舭龍骨寬度選用430 mm。

2）長度

舭龍骨的長度一般約為1/4～3/4 LBP，即57.05～171.15 m，本船舭龍骨長度可在此區(qū)間選取。

2.3? ?舭龍骨位置

某重吊船舭龍骨首端距首垂線距離至少為0.30 L，即0.3 LBP=0.3×228.2=68.46 m；舭龍骨尾端距艉垂線0.20 L以上，本船取舭龍骨首端位置在207號肋位，距離首垂線71.2 m；

舭龍骨尾部位置設在70號肋位，距離尾垂線56.0 m；

舭龍骨長度取為109.6 m。

3? ? 不同類型舭龍骨比較

3.1? ?減搖性能

本船作業(yè)工況下，波浪周期為2～8 s、最大浪高為3 m；待命工況下，波浪周期為7～13 s、最大浪高5 m；航行工況波浪為25年一遇海況參數(shù)，可根據(jù)國際船級社協(xié)會（IACS）推薦的1年、25年、40年一遇海況圖（見圖4）取值。本文取航行工況下，對設計的V型舭龍骨與單板舭龍骨的減搖性能進行比較。

1）從圖4中可得到25年一遇波浪參數(shù)，本文計算波浪周期為6 s～17 s，最大有義波高HS=15 m。

在船舶的首中尾部各選取3組點，共9個點進行分析：（見表1） 。

2）應用SESAM軟件，分別對單板舭龍骨和V型舭龍骨的船舶在波浪中的運動進行分析，波浪入射角從0°開始每30°一個，共12個。其中：0°為船尾隨浪；180°為船首迎浪。

響應幅值結(jié)果如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6中可以看出：響應幅值在左右舷完全對稱；在0°和180°時，橫搖相應幅值為零；在橫浪作用下，響應幅值明顯比迎浪和斜浪要大；當波浪周期在12～20 s區(qū)間內(nèi)，V型舭龍骨船舶相應幅值較單板舭龍骨有明顯減小。

3）各數(shù)據(jù)點最大加速度情況，如表2所列。

從表2中可以看到：V型舭龍骨與單板舭龍骨相比，對X方向沒有影響；對Z向影響很小，均在5%內(nèi)；對Y向影響較大，橫搖改善幅度可超過14%。說明設計的V型舭龍骨與單板舭龍骨相比，較大地提高了船舶抗橫搖能力。

3.2? ?抗波浪砰擊能力

假設舭龍骨面上受到的波浪砰擊力為均布載荷，兩種舭龍骨受到波浪砰擊力模型可簡化為如圖7、圖8所示。

根據(jù)GJB/Z119-99，沿舭龍骨寬度均布的水動壓力計算公式為：

P=0.981 V2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：P為均布載荷，kPa；V為計算剖面的總線速度，m/s。

取計算剖面的總線速度V=10 m/s，應用ANSYS Workbench軟件，分別對V型舭龍骨與單板舭龍骨進行有限元分析，結(jié)果如圖9，圖10所示。

從圖9、圖10可以看出：V型舭龍骨最大應力為157 MPa，而單板舭龍骨為264 MPa。根據(jù)CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范2022》第2篇第2章附錄4，板架抨擊強度許用相當應力為：

σe =180 / K MPa? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：K為材料系數(shù)，舭龍骨材料為AH36，K取值0.662，則σe=271.9 MPa，V型舭龍骨和單板舭龍骨最大應力均在許用應力范圍內(nèi)，V型舭龍骨抗波浪砰擊能力較單板舭龍骨提高40%以上。在舭龍骨設計時，舭龍骨布置應盡量遠離易遭遇波浪砰擊區(qū)域，以避免造成舭龍骨端部撕裂。

3.3? ? 安裝工藝和成本

3.3.1 舭龍骨制作及安裝

1）V型舭龍骨

V型舭龍骨制作和安裝工藝比較復雜，沿船長方向劃分多個舭龍骨分段，分別進行分段箱體制作，需要注意如下幾點：

（1）控制上下兩片面板夾角精度，避免合攏時錯位；

（2）V型舭龍骨與船體連接的兩條邊線屬于三維空間線，尤其在靠近首尾處空間曲率變化較大，需要用樣板或樣箱確保舭龍骨安裝時與船體外板緊密貼合。

V型舭龍骨的安裝工藝設計和精度控制要求也非常高，舭龍骨安裝合攏處需要預留一片窗戶板、一段圓鋼調(diào)整段和一段墊板調(diào)整段，如圖11所示；分段合攏順序，如圖12所示。

V型舭龍骨內(nèi)部為封閉空間，舭龍骨長期浸泡在海水里，一旦透氣透水很容易產(chǎn)生腐蝕，因此必須保證舭龍骨的密性，V型舭龍骨外部焊縫需進行UT無損探傷。

2）單板舭龍骨

單板舭龍骨為430 mm的球扁鋼，僅在靠近船舶首尾處有縱向型線變化區(qū)域存在少量型鋼加工制作；單板舭龍骨的安裝相對于V型舭龍骨簡單很多，而且不存在密封性要求。

3.3.2? 舭龍骨整體成本

1）材料成本

V型舭龍骨鋼結(jié)構(gòu)重量為33.8 t，而單板舭龍骨鋼結(jié)構(gòu)重量僅為15.4 t，材料成本相差約12萬元。

2）制作安裝成本

V型舭龍骨的制作安裝成本大大高于單板舭龍骨，預計高出15萬元以上。綜上所述，V型舭龍骨與單板舭龍骨對比，如表3所列。

對于重吊船來說，以上4項指標按重要性排列為：減搖性能>抗波浪砰擊能力>制作安裝工藝>整體成本。通過綜合權(quán)衡，本船最終選擇寬度600 mm V型舭龍骨作為減搖裝置。

4? ? ?結(jié)論

1）本文的舭龍骨設計通用原則中，有些細節(jié)需要根據(jù)施工工藝技術(shù)的提高進一步完善，有些經(jīng)驗公式取值需要根據(jù)更多的船舶設計或船模試驗進行修正；

2）舭龍骨設計影響因素很多，受力情況復雜，難以用理論計算方法進行設計，目前主要參考母型船或相似船型，并依靠船模試驗、經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式進行設計；

3）波浪砰擊載荷是造成舭龍骨損壞的主要因素，尤其對于大型重吊船等海工作業(yè)船舶，舭龍骨布置應盡可能避開波浪砰擊區(qū)域；

4）需要大力開展舭龍骨數(shù)值模擬方法在設計的應用研究[10]，通過數(shù)值模擬方法對舭龍骨減搖效果進行預報，對舭龍骨設計進行優(yōu)化。

參考文獻

[1]傅華. 舭龍骨結(jié)構(gòu)設計合理性研究[J]. 船舶， 2015， 152（02）.

[2]甘水來. 舭龍骨結(jié)構(gòu)設計及安裝研究[J]. 船舶與海洋工程， 2012（2）.

[3]林紹昌，符傳發(fā). 船舶舭龍骨的設計與制造探討[J]. 廣東造船， 2013， 32（1）.

[4]楊朕，張利軍，陳鴿. 舭龍骨設計對船舶粘性橫搖阻尼的影響[J]. 船海工程，?2017（1）.

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[10]姜宜辰，趙曉杰，宗智.帶舭龍骨船體的橫搖自由衰減的數(shù)值研究[J].?哈爾濱工程大學學報， 2019.