向小斌

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

0 引言

船舶進(jìn)塢是通過牽引裝置或拖輪將待進(jìn)塢船舶引入塢內(nèi)，然后進(jìn)行排水坐墩的作業(yè)過程[1]。對于常規(guī)商船或海工平臺(tái)，在進(jìn)塢前按線型布置好塢墩，即可滿足進(jìn)塢要求。由于這些結(jié)構(gòu)具有寬大的平底設(shè)計(jì)，故塢墩對船體結(jié)構(gòu)有良好的支撐作用，一般認(rèn)為船舶浮出水面后不會(huì)傾斜或傾倒。

對于一些小船或特定船只，僅中內(nèi)龍骨沿船長方向?yàn)橐粭l直線，船舶沿船寬方向無平底結(jié)構(gòu)。此外，由于年代久遠(yuǎn)，相關(guān)船舶圖紙已經(jīng)丟失，船舶線型不得而知。在此情況下強(qiáng)行進(jìn)塢，船舶在上浮過程中存在傾倒風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要采取防傾措施來確保船舶進(jìn)塢的安全性。

本文基于某小型船舶的進(jìn)塢過程，對防傾措施進(jìn)行對比選型和可行性分析。根據(jù)小型船舶共有的特性，對選定的防傾方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和有限元分析，以確保防傾結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

1 防傾載荷計(jì)算

防傾載荷主要由環(huán)境條件引起的橫向動(dòng)態(tài)載荷和進(jìn)塢船自身橫傾產(chǎn)生的靜態(tài)載荷等2 部分組成。

1.1 典型進(jìn)塢船舶主尺度

根據(jù)使用需求，典型進(jìn)塢船舶主尺度見表1。

表1 典型進(jìn)塢船主尺度

1.2 進(jìn)塢船動(dòng)態(tài)載荷

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，防傾結(jié)構(gòu)需要滿足的作業(yè)環(huán)境為：1）4 級(jí)及以下海況；2）蒲氏5 級(jí)及以下風(fēng)力；3）3 kn（1 kn=0.514 m/s）及以下流速；4）有義波高在1.5 m 及以下。

通過水動(dòng)力分析，計(jì)算浮船塢及進(jìn)塢船在最惡劣環(huán)境條件下進(jìn)塢時(shí)的加速度。由于本次設(shè)計(jì)主要考慮防止船舶橫向傾倒，因此設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮船舶的橫向加速度。

經(jīng)計(jì)算，浮船塢和進(jìn)塢船在目標(biāo)作業(yè)環(huán)境下的橫向加速度分別為0.549 m/s2和0.731 m/s2。

1.3 進(jìn)塢船靜態(tài)載荷

在設(shè)計(jì)防傾裝置時(shí)，需要考慮船舶進(jìn)塢橫傾導(dǎo)致的橫向靜態(tài)載荷的影響。由于橫傾對防傾裝置受力情況和塢墩布置難度的影響較大，需要對船舶進(jìn)塢時(shí)的浮態(tài)進(jìn)行限制，確保進(jìn)塢時(shí)船舶的橫傾角度不大于5°。

根據(jù)傾斜試驗(yàn)的基本原理[2]，在小角度橫傾時(shí)，初穩(wěn)心高度hGM與橫傾力矩MT的關(guān)系為

式中：Δ為船舶排水量；θ為船舶橫傾角。

不同排水量和中心高度情況下的船舶橫傾力矩見表2。

表2 船舶橫傾力矩計(jì)算表

1.4 防傾裝置受力計(jì)算

由表2 可知，相較于1 000 噸級(jí)的船舶，2 000噸級(jí)船舶橫傾力矩增大了8～10 倍。若采用防傾裝置扶正橫傾船舶，則裝置受力過大。為在確保進(jìn)塢船舶防傾措施安全可靠的同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性，在左舷側(cè)設(shè)置塢墻，在右舷側(cè)設(shè)置可移動(dòng)塔架。當(dāng)船舶進(jìn)塢后，塔架橫向移動(dòng)并緊靠船舶。對于橫傾角度在5°以內(nèi)、1 000 噸級(jí)以下的船舶，進(jìn)塢時(shí)不需要考慮船舶朝向；對于橫傾角度超過1°、1 000～2 000 噸級(jí)的船舶，進(jìn)塢時(shí)需要將傾斜的一側(cè)靠近塢墻，以便獲得較大的橫向支撐力。

進(jìn)塢船舶與塔架的受力情況見圖1。當(dāng)船舶橫傾一側(cè)緊靠塔架時(shí)，有

圖1 進(jìn)塢船舶及塔架受力示意圖

當(dāng)船舶橫傾一側(cè)緊靠塢墻時(shí)，有

式（2）和式（3）中：F1為塔架支反力；F2為橫向運(yùn)動(dòng)力；F3為橫向摩擦力；G 為船舶重力；d1～d3分別為F1～F3相較于質(zhì)心的力臂。

塔架防傾所需支反力見表3。

表3 塔架受力計(jì)算表

2 防傾塔架布置圖

防傾塔架布置情況見圖2，沿船長方向設(shè)置2組防傾塔架，塔架間距約19.2 m，適用于2 000 噸級(jí)以下的小型船舶。塔架可通過絞車牽引向左舷移 動(dòng)。防傾塔架組成示意圖見圖3，為減少摩擦，為塔架配備滾輪，同時(shí)在塔架軌道上設(shè)置銷軸孔。當(dāng)氣囊與進(jìn)塢船舶接觸后，銷軸自動(dòng)落入銷軸孔，通過氣囊緩沖，阻止船舶沿橫向傾倒。

圖2 防傾塔架布置圖

圖3 防傾塔架組成示意圖

3 塔架強(qiáng)度評估

由表3 可知，橫傾5°范圍內(nèi)排水量1 000 噸級(jí)和2 000 噸級(jí)船舶塔架的最大防傾裝置受力分別為963.2 kN 和1 158.4 kN。

考慮到實(shí)際加速度與計(jì)算加速度之間存在誤差，將加速度系數(shù)取為1.1；考慮到兩塔架并非平均受力，故將載荷分配系數(shù)取為1.3。塔架最大支反力為1158.4×1.1×1.3=1 656.5 kN，計(jì)算時(shí)實(shí)取塔架總承載能力為1 700 kN，單個(gè)塔架承載能力為850 kN。

使用Patran 軟件進(jìn)行有限元建模，塔架及底座有限元模型見圖4，塔架前面板、塔架背面框架腹板、塔架底部框架等采用板單元模擬，其他構(gòu)件采用梁單元模擬。網(wǎng)格尺寸取為100 mm×100 mm，塔架材料均選取屈服強(qiáng)度為350 MPa 的高強(qiáng)度鋼。

圖4 塔架及底座有限元模型

如圖5 所示，有限元計(jì)算設(shè)置3 種工況：1）上層氣囊單獨(dú)受力850 kN（工況1）；2）中層氣囊單獨(dú)受力850 kN（工況2）；3）下層氣囊單獨(dú)受力850 kN（工況3）。不同工況下塔架應(yīng)力云圖見圖6。根據(jù)中國船級(jí)社（China Classification Society，CCS）相關(guān)規(guī)范[3]，許用組合應(yīng)力為355 MPa，許用切應(yīng)力為213 MPa。各工況應(yīng)力情況見表4，各工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力均在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，塔架強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 各工況塔架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力

4 軌道強(qiáng)度評估

根據(jù)塔架受力情況，計(jì)算得到軌道支反力，建立軌道及塢體有限元模型（見圖7）并進(jìn)行強(qiáng)度評估。軌道及塢體材料均為屈服應(yīng)力為355 MPa 的高強(qiáng)度鋼。由于軌道與塢體結(jié)構(gòu)為間斷焊，故采用多點(diǎn)約束（Multi-Point Constraints，MPC）模擬焊接部分。塔架作用于軌道最大支反力示意圖與軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖分別見圖8和圖9。最大組合應(yīng)力為169 MPa，小于許用應(yīng)力355 MPa[3]，軌道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 塔架作用于軌道最大支反力示意圖

圖9 軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

5 實(shí)船應(yīng)用驗(yàn)證

在防傾塔架制作完成后，進(jìn)行海上進(jìn)塢防傾倒試驗(yàn)，通過壓載使船舶橫傾5°，進(jìn)塢時(shí)使船舶傾斜一側(cè)靠緊塔架。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該防傾塔架可滿足工程實(shí)際需求。防傾塔架正視圖和側(cè)視圖分別見圖10和圖11。

圖10 防傾塔架正視圖

圖11 防傾塔架側(cè)視圖

6 結(jié)論

本文基于某小型船舶的進(jìn)塢過程，對塔架的防傾措施進(jìn)行對比選型和可行性分析。根據(jù)小型船舶共有的特性，對選定的防傾方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和有限元分析，可得到如下結(jié)論：

1）對于1 000 噸級(jí)以上的船舶，需要將傾斜一側(cè)沿塢墻停靠，有效利用了塢墻，在防止傾斜的同 時(shí)有效減少了結(jié)構(gòu)用料。

2）塔架在絞車的牽引下可沿船橫向移動(dòng)，機(jī)械化程度較高，移動(dòng)方便。鋼絲繩移動(dòng)區(qū)域均在塢墩高度以下，不會(huì)對進(jìn)船舶進(jìn)出塢產(chǎn)生影響。

3）塔架銷軸利用門鎖原理，當(dāng)塔架向左舷移動(dòng)時(shí)，銷軸自動(dòng)提升；當(dāng)塔架向右舷移動(dòng)時(shí)，銷軸自然落下，垂直面與銷軸孔形成自鎖，防止塔架受到船舶傾斜力時(shí)后撤，進(jìn)而起到防傾倒作用。