溫 鑫

（中集來福士海洋工程有限公司，山東煙臺 264670）

0 引 言

某些船舶為滿足功能需求，會在艉部設(shè)置可開閉式艉門，形成一個人員與物流通道，實現(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)計艉門時需考慮的關(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，輸入載荷數(shù)據(jù)必不可少，這就涉及支反力計算，對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算和規(guī)范要求的冗余設(shè)計等進(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，貨物甲板高度為5.9 m。

該船設(shè)計有舷側(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，貨物依靠自身動力或通過牽引進(jìn)入運(yùn)輸船中，此時艉門處于開啟狀態(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)系方向為船體的縱向；方向為船體的橫向；方向為船體的垂向。

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，在整個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，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，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，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，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，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)號為左舷-8，右舷8；副鉸鏈標(biāo)號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

該船入級英國勞氏船級社。反力計算的工況包含艉門規(guī)范計算和全船有限元計算2 部分。最大反力值是通過全船有限元計算得到的，艉門規(guī)范計算是由艉門廠家完成的，本文不作介紹。全船有限元計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，選擇3 種典型裝載工況進(jìn)行計算。

1）LC01：壓載出港，最大靜水彎矩。

2）LC03：滿載出港，最大吃水。

3）LC17：單側(cè)裝載800 t貨物出港，對應(yīng)最大靜水扭矩。

3.2 波浪工況

根據(jù)英國勞氏船級社規(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算的方法得到。該船航區(qū)設(shè)計為無限航區(qū)，選取北大西洋波浪散布圖進(jìn)行長期預(yù)報，波浪譜選用P-M譜。超越概率取為10，該數(shù)值大致對應(yīng)于20 a一遇波浪的設(shè)計值。浪向在0° ～180°范圍內(nèi)，步長為30°，共7 個浪向，其中0°為迎浪方向。采用等效設(shè)計波法定義作用在有限元模型上的波浪壓力。全船有限元計算包含4 種典型的設(shè)計工況。

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 個波浪周期分為20 個步長，每一步計算1 個工況。

3）橫浪工況，橫搖角最大，浪向角為90°，將1 個波浪周期分為20 個步長，每一步計算1 個工況。

4）橫浪工況，水線面處動壓力達(dá)到最大，有3 種設(shè)計波：

（1）0.25處水線面位置動壓力達(dá)到最大，浪向角為90°，將1 個波浪周期分為20 個步長，每一步計算1個工況；

（2）0. 50處水線面位置動壓力達(dá)到最大，浪向角為90°，將1 個波浪周期分為20 個步長，每一步計算1個工況；

（3）0.75處水線面位置動壓力達(dá)到最大，浪向角為90°，將1 個波浪周期分為20 個步長，每一步計算1個工況。

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

3.3 工況編號

為便于描述，對全船計算工況進(jìn)行編號，根據(jù)3.2 節(jié)中1）～4）的順序依次編為1 ～102，即全船計算工況為LC01_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

計算采用整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評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為0，方向為28 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，初步計算時不做關(guān)聯(lián)，根據(jù)計算結(jié)果的相對變形值進(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

由于計算工況較多，只列出LC03_1 的計算結(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LC03_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)計算結(jié)果讀取舷側(cè)拉緊銷處艉門與船體最大方向相對位移值為14.9 mm，頂部限位銷處最大方向相對位移值為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，由于實際相對位移超出了設(shè)置的10 mm 間隙，頂部限位銷會承擔(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)計的反力

根據(jù)勞氏船級社規(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)計性，以便在任意單個固定裝置或支撐裝置失效時，剩余裝置能承受反力的作用，但不超過正常設(shè)計時許用應(yīng)力的20%。本文所述船舶的鉸鏈共計17 個，舷側(cè)拉緊銷6 個，頂部限位銷2 個，理論上每個工況、每個裝置失效都需計算，需計算的工況共計7 650 個，工作量龐大，對其進(jìn)行判斷篩選十分必要。

失效裝置通過計算對要計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，實際頂部限位銷、副鉸鏈與其同時承擔(dān)，但經(jīng)計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)計下的反力。緊固裝置冗余設(shè)計的反力見表7。

表7 緊固裝置冗余設(shè)計的反力

7 結(jié) 語

通過對某半潛式游艇運(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。冗余計算既是規(guī)范的要求，也是設(shè)計者為保證工程安全性而對此類緊固裝置做的設(shè)計評估工作。本文介紹的方法和所得結(jié)論已得到設(shè)備商、船東和船級社的認(rèn)可，目前該船已投入運(yùn)營，運(yùn)行狀況良好，可供同類型運(yùn)輸船設(shè)計參考。由于可供參考的此類問題較少，本文基于理論計算分析得到的結(jié)果還需通過實船運(yùn)營和更多類似的工程項目檢驗。