袁元濤

摘 要：以提高浮船塢運行效率為前提，針對浮船塢抱樁系泊裝置結構展開分析。介紹浮船塢抱樁系泊裝置結構，并對其展開受力分析，最后從優(yōu)化設計思路及方法、結構優(yōu)化設計兩個方面闡述結構優(yōu)化設計，以期能夠設計最佳抱樁系泊裝置結構，實現(xiàn)浮船塢的有效運行。

關鍵詞：浮船塢;抱樁系泊裝置;船舶建造;沉船打撈

中圖分類號：U656? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）10-0069-02

浮船塢是船舶建造領域的一種工程船舶，可以用于船舶修建、沉船打撈、深水船舶運輸?shù)?。最初修建浮船塢的目的和干船塢相同，即船舶水下部分、推進器、舵等裝置的檢修，船舶水上部分、船舶機械裝置也可以及時進行維修養(yǎng)護。如果浮船塢處于泊碇狀態(tài)受到水流力、風力等的沖擊，可能無法維持正常運行，為了解決該問題需要設計系泊裝置。通常浮船塢泊碇包括錨泊泊碇、抱樁泊碇這兩種形式，相比之下抱樁泊旋對于附近水域的影響較小，浮船塢平面位置維持不變，為岸塢設備運輸提供便利條件。浮船塢抱樁泊碇裝置中有導柱、卡環(huán)這兩個裝置，導柱、卡環(huán)二者帶有配合關系，這樣一來使導柱結構尺寸成為卡環(huán)結構設計的重要影響因素。所以，浮船塢抱樁系泊裝置結構優(yōu)化設計非常關鍵。

1 浮船塢抱樁系泊裝置結構與方式

浮船塢采用抱樁形式泊碇，抱樁裝置由卡環(huán)和導柱組成，卡環(huán)設于水工建筑上，導柱設于塢墻外壁上。導柱上基座上表面和塢頂甲板齊平，導柱下基座固定于下基座底座上。下基座下表面高于塢基線600mm。全船共設二套抱樁裝置，設于浮塢左塢墻外側(cè)。

浮船塢抱樁系泊裝置結構主要有兩種：第一，兩根導柱設于塢體式結構。抱樁系泊裝置包括導柱、卡環(huán)，浮船塢側(cè)面塢墻設置兩根導柱，并且將卡環(huán)固定于系均壤之上，卡環(huán)內(nèi)圈使用合金塑料，其作用在于緩沖、抗磨損;第二，兩個卡環(huán)設于塢體式結構。該結構模式主要是在浮船塢側(cè)面塢墻上安裝卡環(huán)，導柱固定于系塢墩;第三，導槽式結構。導槽式結構是導柱的一種變形形式，系泊導槽設置于浮船均側(cè)面塢墻，可以取代導柱，導槽內(nèi)壁設置了鑄鋼滑板，中間留有一定縫隙支持滑板、橫桿連接，橫桿其中一端被固定在系塢壤。利用導槽內(nèi)部滑板的滑動，浮船塢可以順利實現(xiàn)升沉運動[1]。

2 抱樁系泊裝置受力分析

2.1抱樁泊碇外力

（1）風力。浮船塢抱樁處于泊碇狀態(tài)時，要想躲避風力將工作海域轉(zhuǎn)移，或者使浮船塢受風方向發(fā)生改變難度較大[2]。因此，在浮船塢運營期間有可能會受到工作海域風力影響。如果不能保證暴風發(fā)生過程中浮船塢的塢內(nèi)無船，需要將抬船工況當作浮船塢計算工況，若相反則能夠?qū)⒖諌]狀態(tài)當作計算工況。

（2）水流力。浮船塢處于泊旋狀態(tài)下附近水域的水流為順流。

（3）波浪力。波浪本身會對浮船塢抱柱泊碇裝置有一定的作用，也可以作用于水上固定建筑物。直立墻面上波浪會形成反射，如果水面達到一定深入，向浮船塢提供垂直作用的波浪會在浮船塢的塢墻上形成反射，從而得到立波。

2.2浮船塢抱樁泊碇計算工況

浮船塢計算工況主要有臺風工況、最大沉深工況、抬船工況等幾種，因為在最大沉深況、抬船工況，且風力小于6級的條件下，浮船塢波浪力、風力與臺風工況相比前者較小，所以受力分析也是以臺風工況的計算為主[3]。

2.3浮船塢抱樁泊碇外力

按照抱樁泊碇抱樁設計規(guī)范，針對專家提出的評審建議進行審核，風載荷、波浪載荷計算需要按照如下數(shù)據(jù)展開：

（1）風載荷。50年一遇NW向，風速為30m/s;

（2）波浪參數(shù)。50年一遇NE向，波浪的波壓力計算需要以如下數(shù)據(jù)為依據(jù)展開計算：小風區(qū)波浪H1%=1.6m，T=4s，外海傳入波浪H1%=0.9m，T=7.6s，波浪載荷計算選取計算較大值[4]。

3 浮船塢抱樁系泊裝置結構優(yōu)化設計

3.1優(yōu)化設計步驟

因為導柱受到的外力均是向?qū)е獍迨┘樱饬υ趯е獍宓淖饔孟孪驅(qū)е械钠溆鄻嫾鬟f，所以結構優(yōu)化設計過程中，主要是將導柱直徑、導柱外板厚度當作核心設計變量[5]。導柱直徑、導柱外板板厚屬于離散型變量范疇。導柱直徑變化量設置為100mm，導柱外板板厚的變化量設置為2mm。同時，導柱中部受力組主要是浮船塢在最危險受力工況的基礎上導柱受到的外力作用。

當導柱直徑、導柱外板厚度變化范圍確定之后，設計人員需要將參數(shù)值輸入到VB.NET參數(shù)化建模平臺當中，輸入完畢點擊生成命令獲得APDL命令流文件，通過ANSYS計算功能讀取APDL命令流文件，構建有限元模型。隨后將完成構建的有限元模型文件打開，向其施加外載荷，并且明確邊界條件，通過計算獲得導柱模型質(zhì)量，分析之后對所有受力下應力規(guī)范性進行檢查，確定其符合許用應力值規(guī)定之后對比模型重量，選擇最輕的模型，選擇模型結構所有參數(shù)值便是最優(yōu)設計參數(shù)，以此獲得結構設計的最佳方案。

3.2 導柱基座強度校核

（1）基座反力

式中：a值在抬船工況高潮位時=1.75m，最大，但支座A處的總應力中，所引起的彎矩應力數(shù)值大，因此在a=3.075m，雖小，但總應力反而大（分析計算略），故a取為3.075。

上支座反力其最大值應在抬船工況低潮位時a最大時（a=7.59m）有最大值，很明顯<，而上下支座的支承情況相同，故以最大受力狀況（由前計算>）僅校核下支座。

（2）支座及導柱重力

力作用點至塢墻距離LC：2.4m

3.3載荷計算

浮船塢處于最危險受力工況下導柱縱向的載荷是1300t，橫向載荷即為1600t。在外力作用下導柱的力向外板半個圓周面施加分散力，隨后加載模型的過程中，導柱承受壓力通過擬合成為正弦曲線分布要求模式，載荷則按照模型需求對面單元數(shù)進行加載，并且分解面單元導柱圓周面中角度、面單元面積，確保擬合導柱受力準確性。計算結束后利用GUI操作List>Results>Nodal loads>All struc fore F的方式檢查不同軸方向合力，確保載荷方向與大小的準確性。

3.4計算結果對比與分析

（1）當導柱直徑為2000mm時，導柱外板厚度、計算載況不同，與之相應的最大等效應力值也存在差異，具體見表1。

（2）當導柱直徑為2200mm時，導柱外板厚度、計算載況相應的最大等效應力值見表2。

（3）當導柱直徑為2400mm時，導柱外板厚度、計算載況相應的最大等效應力值見表3。

通過表1～表3數(shù)據(jù)可知，導柱直徑為2000mm，板厚T<44mm時，導柱模型的應力與許用值規(guī)定不符，當導柱直徑為2200mm，板厚T<40mm時，導柱模型應力與許用值規(guī)定不符，導柱直徑為2400mm，板厚T<38mm時，導柱模型應力與許用值規(guī)定不符。為此需要優(yōu)化模型重量，從之前的94.577t優(yōu)化為93.345t，因為導柱直徑減小，所以活動卡環(huán)、固定卡環(huán)結構優(yōu)化設計的過程中尺寸同樣會隨之減小，從而達到減輕結構重量的目的。

4 結束語

綜上所述，浮船塢抱樁系泊裝置進行結構優(yōu)化設計，期間需要明確常見結構，了解裝置受力情況，采用合適的優(yōu)化設計方法。一方面能夠使抱樁系泊裝置更加高效的運行，另一方面則能夠為浮船塢作用的發(fā)揮提供條件。今后開展結構優(yōu)化設計工作，需要調(diào)整設計變量數(shù)量，比如導柱與上下基座的高度，使結構優(yōu)化設計更加深入。

參考文獻：

[1]張小博.5000TCL浮船塢內(nèi)裝設計分析[J].科學技術創(chuàng)新，2019（20）：22-23.

[2]張平.大型浮船塢水上加寬改裝技術研究[J].船舶標準化工程師，2019，52（02）：56-58+65.

[3]張士天，邵國伍，嚴成麟.浮船塢抱樁區(qū)域塢墻結構強度評估[J].江蘇船舶，2019，36（01）：15-17.

[4]管官，年繼業(yè)，楊蕖.基于FLUENT的浮船塢抱樁泊碇受力仿真[J].船舶標準化與質(zhì)量，2018（01）：38-41.

[5]劉燕星，陳曉明，江峰.浮船塢抱樁泊碇靠船墩結構強度分析[J].廣東造船，2017，36（06）：25-27.