侯彬， 鄧智勇， 曾釹釙， 高劍

（1.中國人民解放軍92267部隊，山東青島266102；2.武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢430064）

導(dǎo)向打撈架設(shè)計優(yōu)化

侯彬1， 鄧智勇2， 曾釹釙2， 高劍2

（1.中國人民解放軍92267部隊，山東青島266102；2.武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢430064）

介紹了導(dǎo)向打撈架的設(shè)計方案，通過優(yōu)化設(shè)計，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度要求的同時，整個結(jié)構(gòu)的重量能滿足工作船的設(shè)計要求。導(dǎo)向打撈架的設(shè)計實現(xiàn)了浮標(biāo)的自動回收，提高了整套裝置的作業(yè)效率、作業(yè)的安全性與可靠性。

信號浮標(biāo)；設(shè)計優(yōu)化；導(dǎo)向打撈架；穿浪雙體船

0 引言

信號浮標(biāo)布放回收裝置安裝在東遠(yuǎn)01穿浪雙體工作船的尾部，其主要功能是對浮出水面的信號浮標(biāo)進(jìn)行隱蔽性布放與回收，將傳統(tǒng)依靠潛水員下水回收浮標(biāo)的人工操作方式改變?yōu)榇诤叫兄凶詣硬蹲交厥崭?biāo)的動態(tài)方式。整套裝置主要由導(dǎo)向打撈架、螺旋絲桿、軌道裝置、起吊裝置等組成。本文主要介紹導(dǎo)向打撈架的設(shè)計方案，通過計算、分析和優(yōu)化設(shè)計，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度要求的同時，整個結(jié)構(gòu)的重量能滿足工作船的設(shè)計要求，導(dǎo)向打撈架的設(shè)計實現(xiàn)了浮標(biāo)的自動回收，提高了整套裝置的作業(yè)效率、作業(yè)的安全性與可靠性。

圖1 雙體船艉部結(jié)構(gòu)圖

1 用途與工作原理

信號浮標(biāo)隨著雙體船片體間水流被V型導(dǎo)向打撈架攔截捕捉并進(jìn)行定位，通過設(shè)在導(dǎo)向打撈架兩邊的螺旋絲桿提升浮標(biāo)至濕甲板附近，而后經(jīng)起吊裝置的抓鉤鉤住信號浮標(biāo)把手，使其回收到船主甲板上。

為保證信號浮標(biāo)從船底片體間通過后順利回收，本導(dǎo)向架的寬度和深度應(yīng)與雙體船尾部的形狀以及浮標(biāo)在水中的浮標(biāo)相適應(yīng)。導(dǎo)向架兩側(cè)邊緣能盡量靠近雙體船尾部片體的邊緣，保證信號浮標(biāo)不會從導(dǎo)向架與船體間的空隙處穿過。導(dǎo)向架在工作狀態(tài)下入水深度為1 m，能保證在有一定波浪升沉條件下順利打撈信號浮標(biāo)。

雙體船到達(dá)信號浮標(biāo)分布水域時，雙體船降低航速至2節(jié)，打撈架通過螺旋升降裝置下放至水中，浮標(biāo)通過雙體船片體中部進(jìn)入打撈架，因V字型打撈架的導(dǎo)向作用，浮標(biāo)被定位到打撈架中點，確認(rèn)浮標(biāo)被攔截定位后，提升打撈架至主甲板附近，通過起吊裝置起吊信號浮標(biāo)至主甲板，完成回收過程。重新將打撈架放入水下，實施對第二個進(jìn)入定位位置信號浮標(biāo)的打撈。打撈浮標(biāo)工作完成后收起打撈架，從水中脫離至主甲板上方，雙體船可高速返航。

2 設(shè)計方案

2.1 設(shè)計原則

東遠(yuǎn)01穿浪雙體工作船為全鋁合金高速雙體船，對重量配置平衡的要求非常高，總體上如何減輕裝置重量避免對船體產(chǎn)生過大影響，如何在盡可能輕的前提下保證裝置的強(qiáng)度，如何避免材料不同及海水鹽霧環(huán)境造成的腐蝕，以及在布置和安裝空間有限的條件下做到信號浮標(biāo)回收的隱蔽性，這些都給導(dǎo)向打撈架的總體設(shè)計帶來了一定難度。為了解決上述問題，在設(shè)計中，遵循如下兩個原則：導(dǎo)向打撈架可以上升和下降，但不能影響船舶的航行；限制重量，不能影響雙體船的性能要求。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)雙體船的結(jié)構(gòu)特點，導(dǎo)向打撈架為長10m、高3m、最大寬度1.2 m。為適應(yīng)信號浮標(biāo)的尺寸，在導(dǎo)向打撈架水線以下及水線以上400 mm的范圍內(nèi)，采用φ18 mm×3 mm的鋁合金管對導(dǎo)向打撈架進(jìn)行加密處理，以保證信號浮標(biāo)能在打撈過程中順利進(jìn)入預(yù)定的提升位置。在導(dǎo)向打撈架的底部（信號浮標(biāo)定位處），設(shè)置2個φ400 mm的定位圓環(huán)，以保證信號浮標(biāo)在被提升出水面過程中能定位在導(dǎo)向打撈架中而不至于滑出。為保證信號浮標(biāo)在打撈過程中的安全，對于導(dǎo)向打撈架從底部起往上1 400 mm的范圍內(nèi)的所有管材進(jìn)行硫化處理，硫化厚度為2.5 mm，從而保證避免信號浮標(biāo)在進(jìn)入導(dǎo)向打撈架的過程中與導(dǎo)向打撈架發(fā)生硬碰撞。

為保證導(dǎo)向打撈架本身強(qiáng)度以及考慮浮標(biāo)進(jìn)入導(dǎo)向打撈架后增加的載荷以及水阻等因素，本導(dǎo)向打撈架采用三維框架結(jié)構(gòu)，可以保證導(dǎo)向打撈架在自身重力作用下的垂向位移不大于20mm，在工作速度2節(jié)時，導(dǎo)向打撈架入水最下緣和位移不大于100mm。

2.3 材料設(shè)計

導(dǎo)向打撈架的設(shè)計，主材選擇與雙體船船體同質(zhì)的高強(qiáng)度鋁合金（5083）材料，避免材料的不同性造成的腐蝕問題。導(dǎo)向打撈架主要采用的型材為φ55 mm×5 mm鋁合金管。為盡量減小水流沖擊下彎矩的影響，側(cè)部采用鋁合金板材連接主框架，板厚30 mm，主框架管連接處局部寬度750 mm，其余部分300 mm。本側(cè)立板沿高方向加δ= 10 mm的腹板，并以筋板進(jìn)行加強(qiáng)，從而增加框架整體的抗彎和抗扭能力，并為框架和提升裝置的連接提供方便。在框架的主要連接部位均用δ＝10 mm的筋板進(jìn)行連接。

為保證信號浮標(biāo)在打撈過程中其薄弱部位水聽器的安全，對于導(dǎo)向打撈架從底部起往上1400mm的范圍內(nèi)的所有管材進(jìn)行硫化處理，硫化厚度為2.5mm，從而保證信號浮標(biāo)在進(jìn)入導(dǎo)向打撈架的過程中與導(dǎo)向打撈架進(jìn)行軟碰撞。

圖2 導(dǎo)向打撈架結(jié)構(gòu)圖

3 計算仿真

3.1 計算工況

計算工況為：航速2～5節(jié)，四級海況，打撈架受風(fēng)壓和波浪力作用。

3.2 計算模型

導(dǎo)向打撈架作為裝置的主要設(shè)備，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和重量要求較高。導(dǎo)向打撈架采用30 mm、16 mm、10 mm 3種不同厚度板材以及φ55 mm×5 mm鋁管為主的桁架結(jié)構(gòu)，側(cè)面采用30 mm鋁合金板以提高結(jié)構(gòu)的抗彎性能。整個桁架上半部分受空氣阻力作用，入水部分受洋流阻力作用。鋁合金密度為2.802×103kg/m3，彈性模量為70 GPa，強(qiáng)度極限為125 MPa。兩側(cè)的板結(jié)構(gòu)使用SHELL63，桁架結(jié)構(gòu)采用BEAM189單元。

圖3 導(dǎo)向打撈架有限元模型

圖4 5節(jié)航速下整體應(yīng)力云圖

由計算可知：航速達(dá)到4節(jié)時，支耳應(yīng)力峰值開始接近5083鋁合金的設(shè)計許用應(yīng)力；達(dá)到5節(jié)時，桁架最大應(yīng)力已超過設(shè)計許用應(yīng)力。導(dǎo)向打撈架模型強(qiáng)度和剛度不足，存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，現(xiàn)就四級海況5節(jié)航速的工作環(huán)境下，分析應(yīng)力分布特點，研究導(dǎo)向打撈架存在的缺陷。通過自定義等值線表，可以突出接近設(shè)計許用應(yīng)力的部位，如圖4，應(yīng)力為60～140 MPa的部分用紅色表示。

局部應(yīng)力云圖反映出了結(jié)構(gòu)各部分應(yīng)力分布的趨勢以及集中點，不同梁之間的應(yīng)力水平差異很大，表明導(dǎo)向打撈架結(jié)構(gòu)不利于力在材料內(nèi)部的傳遞，局部存在較大的應(yīng)力峰值，而其他位置應(yīng)力相對很小。應(yīng)考慮采取局部補(bǔ)強(qiáng)的措施或更換更優(yōu)的桁架結(jié)構(gòu)。

3.3 優(yōu)化設(shè)計

選取單層水平面桁架結(jié)構(gòu)作為優(yōu)化對象，預(yù)置確定位置的部分主梁，φ55 mm×5 mm的BEAM189梁單元，其他間隔布置優(yōu)化2D拓?fù)鋬?yōu)化單元SHELL82。通過ANSYS提供的拓?fù)鋬?yōu)化模塊，尋找最優(yōu)的傳力路線以確定最佳的桁架結(jié)構(gòu)。

計算得到拓?fù)浞治龅拿芏仍茍D，如圖6中所示ρ＝0～1（藍(lán)～紅），綜合考慮加工工藝等因素，以拓?fù)鋬?yōu)化得到的密度云圖為基準(zhǔn)構(gòu)建新的單層桁架模型，尺寸參數(shù)如圖7。

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化基本模型示意圖

圖6 拓?fù)鋬?yōu)化得到的密度云圖

圖7 單層桁架模型

以拓?fù)鋬?yōu)化得到的桁架模型為基礎(chǔ)結(jié)合原導(dǎo)向打撈架模型，優(yōu)化如下：1）在支耳處下側(cè)增加了1塊筋板；2）改變了立桿排列方式；3）改變了水平面內(nèi)的桁架結(jié)構(gòu)，在部分位置補(bǔ)強(qiáng)筋板。

不同航速下最大應(yīng)力見表1。

圖8 優(yōu)化后導(dǎo)向打撈架模型

表1 不同航速下應(yīng)力計算結(jié)果

計算表明：使用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，在不同工況中均可大大降低桁架的應(yīng)力水平，提高桁架的剛度。

4 結(jié) 論

信號浮標(biāo)布放回收裝置已裝備東遠(yuǎn)01雙體工作船4年，經(jīng)過實船操作、使用，證明導(dǎo)向打撈架設(shè)計合理，總體強(qiáng)度、剛度均滿足實際使用要求。整套裝置極大地提高了信號浮標(biāo)打撈作業(yè)的安全性和工作效率，具有較大的社會、軍事、經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范［S］.北京：中國船級社，2009.

［2］ 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993.

（編輯啟 迪）

Research and Manufacture of the Signal Buoy Laying and Recovery Equipment

HOU Bin1， DENG Zhiyong2， ZEMG Nyupo2， GAO Jian2
（1.The Chinese People's Liberation Army 92267 Troops,Qingdao 266001,China；2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan 430064,China）

According to design scheme of the guide salvage frame,optimal designcan,ensure the design requirements of structural strength and stiffness,the total weight of the structure can meet the design requirement the working ship.The optimal design of frame guide salvage realizes automatic recovery of the buoy,improves the safety and reliability of operation,the operation efficiency of the whole device.

signal buoy;laying and recovery;V type salvage frame;big span rise and fall equipment

U 664

A

1002－2333（2014）05－0167－03

侯彬（1977—），男，工程師，主要從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造。

2014-01-15