趙 勇， 李寶功， 殷星杰， 趙彤暉

(招商局郵輪研究院(上海)有限公司， 上海 200137)

0 引 言

滑移式艏門為客滾船中重要且復(fù)雜的滾裝設(shè)備，通常布置于艙壁甲板與系泊甲板之間的艏部外飄區(qū)域。為保證主甲板上的重型車輛能順利卸載，艏門在開敞時需具有足夠的寬度和高度，但艙壁甲板與系泊甲板之間的空間非常有限，能布置的艏門支撐結(jié)構(gòu)較少，從而形成了艏門受力很大與周圍支撐結(jié)構(gòu)薄弱的矛盾。有關(guān)資料顯示，航運史上曾發(fā)生多起船舶航行中艏門受損甚至掉入深海的事故，艏門的設(shè)計和安裝應(yīng)用已引起業(yè)界的高度關(guān)注，對艏門的設(shè)計提出了特別的要求。

除了艏門之外，還有一些其他類型的特殊結(jié)構(gòu)，如某些豪華郵船上布置于艏部的Dome結(jié)構(gòu)等，其設(shè)計與艏門設(shè)計有非常類似的特點。

基于上述原因，結(jié)合在某系列客滾船項目中積累的經(jīng)驗，對最復(fù)雜的滑移式艏門的設(shè)計和計算過程中需特別注意的關(guān)鍵點進行深入分析，以期為類似問題的有效解決提供借鑒。另外，由于艏門設(shè)計中協(xié)調(diào)方眾多，技術(shù)管理的難度比常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計大很多，對技術(shù)管理流程進行一些分析和總結(jié)。

1 艏門介紹

1.1 艏門類型

艏門主要分為上開式艏門和側(cè)開式艏門2種。

1.1.1 上開式艏門

此類艏門(見圖1)通過一組布置在露天甲板上的鉸鏈與主船體連接，門的開啟主要通過鉸鏈與液壓裝置向上翻起實現(xiàn)。在艏門關(guān)閉狀態(tài)下，艏部沖擊載荷主要由門周界的鎖緊裝置承受。

圖1 上開式艏門實船圖片

自船舶MV Estonia在航行過程中失去艏門并沉沒之后，此類艏門幾乎不再使用[1]。

1.1.2 側(cè)開式艏門

側(cè)開式艏門可分為帶操縱臂型艏門和直接鉸鏈連接型艏門2種。

1) 帶操縱臂型艏門(見圖2)主要由操縱臂及其兩端的鉸鏈實現(xiàn)門的開啟和關(guān)閉。由于門的開啟和關(guān)閉為沿著水平面向側(cè)面滑移，又稱其為滑移式艏門。此類型艏門可靈活地安裝在各類型船上，但其設(shè)計和建造均非常復(fù)雜，成本較高，且在后期運營過程中系統(tǒng)部件損壞的風險較大，特別是操縱臂的端部。

圖2 帶操縱臂型(滑移式)艏門實船圖片

2) 直接鉸鏈連接型艏門主要通過鉸鏈與船體連接，此類艏門設(shè)計簡單，系統(tǒng)內(nèi)各部件損壞的風險較低，但不適用于艏部外飄很大的船型，打開的艏門易接觸水面。

客滾船為獲得較高的航速，設(shè)計的艏部外飄通常都比較大，因此絕大多數(shù)有艏門的客滾船都采用滑移式艏門，此類艏門為本文主要研究對象。

1.2 滑移式艏門的系統(tǒng)構(gòu)成

為詳細地討論滑移式艏門的設(shè)計關(guān)鍵點，需清晰地了解此類艏門的系統(tǒng)構(gòu)成。此類艏門通常由外門結(jié)構(gòu)、操縱臂及兩端鉸鏈、兩門之間的插銷/鎖緊裝置、門與周界結(jié)構(gòu)之間的插銷/鎖緊裝置、支撐裝置、止動裝置、導向裝置、密封條、破冰裝置(適用于冰層較厚的冰區(qū))、加熱裝置(適用于溫度較低的區(qū)域)和門開啟后的鎖緊裝置等結(jié)構(gòu)組成(見圖3)。

圖3 滑移式艏門內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

2 艏門結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵點分析

艏門設(shè)計通常由專業(yè)的滾裝設(shè)備生產(chǎn)廠商基于國際船級社協(xié)會(International Association of Classificatin Societies，IACS)的統(tǒng)一要求UR S8[2]和廠商內(nèi)部的設(shè)計標準完成；艏門周界結(jié)構(gòu)的加強設(shè)計和計算由船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計方完成。針對艏門和周界加強結(jié)構(gòu)的受力計算等在此不做詳細闡述，下面主要分析設(shè)計過程中需重點考慮的關(guān)鍵點。

2.1 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計冗余

艏門的支撐系統(tǒng)由插銷/鎖緊裝置、支撐裝置和止動裝置構(gòu)成。在船舶航行過程中，艏門受到的沖擊載荷均由支撐結(jié)構(gòu)和周圍的加強結(jié)構(gòu)承擔。以某客滾船為例，根據(jù)挪威船級社(Det Norske Veritas,DNV)規(guī)范中關(guān)于艏部外飄區(qū)域抨擊載荷的計算要求，艏門區(qū)域所受沖擊載荷約為200 kPa，由于艏門的面積較大，而支撐系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)量有限，導致某些位置的支撐結(jié)構(gòu)的受力達到6 000 kN以上，甚至高達10 000 kN以上。另外，有關(guān)資料顯示，在客滾船事故中，艏門破損引發(fā)的事故占比很高，其中因支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生破損導致的事故占比很大。艏門支撐裝置的破損情況已匯總在鎖緊機構(gòu)和鉸鏈2類統(tǒng)計值中(見圖4)[3]。

圖4 艏門事故中各部件破損情況統(tǒng)計值

為保證艏門的支撐系統(tǒng)有足夠的冗余，在設(shè)計過程中需充分分析某些支撐結(jié)構(gòu)失效之后其余支撐結(jié)構(gòu)和加強結(jié)構(gòu)的受力情況。對于此問題，IACS UR S8[2]給出了明確的要求：支撐裝置的布置和強度應(yīng)為冗余設(shè)計，以便在任何一個支撐裝置失效的情況下，其余裝置能承受反作用力，且應(yīng)力水平不超過許用應(yīng)力的120%。

此要求為保證艏門安全的最重要關(guān)鍵點，負責艏門設(shè)計和加強設(shè)計的各方需予以高度重視，嚴格落實規(guī)范中的冗余要求，甚至需考慮額外的設(shè)計余量，以確保設(shè)計的可靠性。

2.2 周界結(jié)構(gòu)彈性支撐

艏門設(shè)計前期，由于周圍的結(jié)構(gòu)設(shè)計尚未完成，艏門設(shè)計人員通常會假定支撐結(jié)構(gòu)位置的邊界條件為剛固或簡支，由此確定支撐位置的受力。但是，艙壁甲板與系泊甲板之間的空間有限，能布置的結(jié)構(gòu)非常有限，導致艏門周界結(jié)構(gòu)的剛度差別較大，特別是頂部區(qū)域的剛度最弱。因此，在對艏門的實際受力情況進行分析之前，需先計算支撐點周界各位置的剛度，再基于彈性連接的邊界條件確定各支撐位置的受力。考慮彈性支撐邊界條件之后的受力情況與僅考慮剛固或簡支的邊界條件計算得到的受力差異較大，在某客滾船項目中計算得到的不同邊界條件下的艏門支撐點支反力對比見表1。艏門部分支撐點側(cè)視圖見圖5。

需特別注意的是，為避免局部過載，需通過增加額外的支撐位置承受部分受力，圖5中止動裝置15為受力分析之后增加的承受y方向和z方向受力的支撐點。從表1中可看出，考慮彈性支撐邊界條件并增加額外的支持點之后，艏門周界各位置的受力更加均勻，更易滿足設(shè)計冗余的要求。

表1 某客滾船不同邊界條件下的艏門支撐點支反力對比 單位：kN

圖5 艏門部分支撐點側(cè)視圖

2.3 操縱臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

操縱臂為艏門操作過程中用到的最重要的機構(gòu)，單側(cè)艏門的重力由操縱臂和兩端的鉸鏈承受。單側(cè)門的重量約為30 t，因此操縱臂通常設(shè)計為能承受較大力的箱型結(jié)構(gòu)，這些力均通過鉸鏈的耳板(見圖6)和周圍的結(jié)構(gòu)或液壓裝置傳遞，不僅受力大，而且需充分考慮艏門開啟和關(guān)閉引起的低周疲勞問題，同時需充分考慮艏門上方系泊甲板車輛裝載引起的高周疲勞問題，以降低在耳板位置或拐角位置產(chǎn)生裂紋的風險。

圖6 操縱臂示意圖

另外，需基于3D模型模擬核查機構(gòu)運行過程中操縱臂是否與周界結(jié)構(gòu)存在干涉。

2.4 特殊工藝設(shè)計

艏門設(shè)計不僅計算比較復(fù)雜，而且需充分考慮后期建造工藝和關(guān)鍵節(jié)點監(jiān)控工藝[4]。以下幾個方面是建造過程中通常會遇到的棘手問題，若在設(shè)計階段不能解決好，會嚴重影響后期的建造效率。

2.4.1 艏門和內(nèi)部支撐構(gòu)件與周界結(jié)構(gòu)的間隙

為避免艏門和內(nèi)部支撐構(gòu)件在船舶航行過程中與周界結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，需嚴格控制艏門和內(nèi)部支撐構(gòu)件與周界結(jié)構(gòu)的間隙，一方面需保證艏門結(jié)構(gòu)和周界結(jié)構(gòu)有足夠的剛度，另一方面需對建造精度提出非常高的要求。為保證密封效果，艏門和內(nèi)部支撐構(gòu)件與周界結(jié)構(gòu)之間的間隙越小越好，但從建造的角度看，二者之間需留有一定的間隙。綜合艏門生產(chǎn)廠商的標準和船廠的建造要求，二者之間的間隙通常控制在3 mm左右。甚至有的廠商在設(shè)計時考慮艏門和內(nèi)部支撐構(gòu)件與周界結(jié)構(gòu)之間的間隙為0 mm，對于如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，該建造精度無法滿足，需與廠商協(xié)調(diào)修改設(shè)計方案。

2.4.2 外門結(jié)構(gòu)的狹小空間

外門結(jié)構(gòu)處于艏部外飄區(qū)域，內(nèi)部布置有大量復(fù)雜的支撐系統(tǒng)等構(gòu)件，造成外門結(jié)構(gòu)中存在大量狹小空間，需在設(shè)計前期充分考慮構(gòu)件上用于施工的開孔或特殊的焊接工藝。特別是構(gòu)件上的開孔，與艏門的局部有限元分析有關(guān)，需在計算之前確定好，否則會導致計算返工。

2.4.3 密封條基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的線型

外門與周界結(jié)構(gòu)之間設(shè)置有密封條，以保證風雨密，但因外飄區(qū)域的線型為雙曲線，密封條基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的線型通常也為雙曲線，這就造成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計和建造非常困難。為降低后期生產(chǎn)設(shè)計和建造的難度，在前期通過三維設(shè)計技術(shù)與艏門的設(shè)計人員充分討論，將密封條的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計為單曲面形式[5]。

2.5 技術(shù)管理流程

艏門的設(shè)計和建造有多方參與，相互之間的關(guān)聯(lián)性強，設(shè)計周期長，需考慮的因素眾多，這些因素的存在造成技術(shù)管理的難度較大。合理地協(xié)調(diào)技術(shù)管理流程能大大提升設(shè)計效率，避免反復(fù)協(xié)調(diào)和計算。根據(jù)實船項目經(jīng)驗總結(jié)技術(shù)管理流程，具體見圖7。

圖7 艏門設(shè)計技術(shù)管理流程圖

3 結(jié) 語

本文介紹了艏門的類型，重點分析和總結(jié)了滑移式艏門的設(shè)計關(guān)鍵點和技術(shù)管理流程，對類似的復(fù)雜附體結(jié)構(gòu)與主船體結(jié)構(gòu)的接口設(shè)計和技術(shù)管理流程有了清晰的認識。盡管如此，仍有多項復(fù)雜問題沒有在文中提及，如直接計算波浪載荷在艏門設(shè)計中的應(yīng)用、非對稱抨擊載荷對艏門支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響、艏門操縱臂的扭曲受力和疲勞分析等，這些問題對艏門設(shè)計的可靠性和安全性有重要影響，有必要進一步深入研究。