地腳螺栓與跨舷作業(yè)設(shè)備的配合分析

湯清之

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

船舶舾裝/ 疏浚/ 特機(jī)

地腳螺栓與跨舷作業(yè)設(shè)備的配合分析

湯清之

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

地腳螺栓是綜合型科考船普遍配置類似螺栓孔的一種通用緊固件。這些地腳螺栓一般都均勻地分布于作業(yè)甲板和實(shí)驗(yàn)室，起到固定科考設(shè)備、儀器的作用。通用型科考船往往會根據(jù)不同航次的任務(wù)需求攜帶、裝備各類科考設(shè)備、儀器，文中著重分析地腳螺栓與跨舷作業(yè)設(shè)備的配合計(jì)算。

科考船；地腳螺栓；跨舷作業(yè)設(shè)備；甲板通用固定件

引 言

隨著海洋權(quán)益爭端日趨激烈，對于海洋物理、地質(zhì)、生物等深入了解已迫在眉睫，而目前我國對于海洋多學(xué)科考察能力的欠缺已經(jīng)逐漸暴露。所以，大型綜合型科考船將是目前需求量較大的一種船型。其具備多學(xué)科同時(shí)作業(yè)的能力，并擁有和陸上基本同等能力的實(shí)驗(yàn)室，更可以根據(jù)不同航次的任務(wù)要求攜帶、裝備各類科考設(shè)備、儀器；而目前在大多數(shù)科考船上用來臨時(shí)固定這些科考設(shè)備和儀器的手段仍是使用集裝箱固定件以及地腳螺栓等。

本文涉及的地腳螺栓是指均勻布設(shè)在作業(yè)甲板和實(shí)驗(yàn)室的螺栓座還有與其對應(yīng)的螺栓。臨時(shí)搭載上船的科考設(shè)備為了避免船舶橫搖、縱搖等運(yùn)動造成位移，往往通過螺栓與螺栓座連接。對于需要跨舷作業(yè)的設(shè)備，由于有額外的彎矩，其與地腳螺栓的配合需要特殊考慮。

在科考船方案設(shè)計(jì)階段，可以預(yù)估裝船的可移動跨舷作業(yè)設(shè)備是非常有限的，而且只有載荷等數(shù)據(jù)相對確定，而設(shè)備的外形尺寸，特別是底腳尺寸只有近似值。為了保證所有可移動安裝的作業(yè)設(shè)備都能在船上妥善安裝，在方案設(shè)計(jì)階段有一套切實(shí)可行的簡化計(jì)算方法是非常有必要的。這套方法既能輔助設(shè)計(jì)地腳螺栓的安全工作負(fù)荷、數(shù)量、位置等，又能在地腳螺栓設(shè)計(jì)布置完之后反向限制跨舷作業(yè)設(shè)備的載荷與跨距等。

1 移動式跨舷作業(yè)設(shè)備簡介

移動式跨舷作業(yè)設(shè)備是科考設(shè)備的一種，一般分為操控支撐部分和探測部分。安裝形式為操控支撐部分通過地腳螺栓安裝在舷內(nèi)，承擔(dān)受力任務(wù)；探測部分通過操控支撐部分跨出舷外而被投入海中完成作業(yè)。科考船可搭載移動式跨舷作業(yè)設(shè)備的數(shù)量、品種及能力已成為考核該船綜合科考能力的重要指標(biāo)。以下介紹兩種常見的大負(fù)載移動式跨舷作業(yè)設(shè)備。

1.1 ROV A架與專用絞車

鑒于某些科考船尾部A架的任務(wù)負(fù)擔(dān)較重，或者其設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮到與某些型號的ROV配合，在執(zhí)行需要搭載ROV的任務(wù)時(shí)，可能會同時(shí)搭載專用的舷側(cè)A架以及配套的臍帶纜絞車。由于ROV具有較大自重，且舷外作業(yè)的跨距大，力臂也相應(yīng)很大；如果再考慮跨舷作業(yè)時(shí)的高海況，作用到地腳螺栓螺栓陣的彎矩則會非常大。

1.2 移動船載溫鹽剖面儀

在海洋調(diào)查研究過程中，對海水溫、鹽、深的測量是最關(guān)鍵的幾個(gè)水文要素。目前國內(nèi)對于該數(shù)據(jù)的獲取大多是采用定點(diǎn)溫鹽深儀（簡稱CTD）進(jìn)行測量，但由于儀器和海況等方面的原因，在這些斷面上設(shè)定的站點(diǎn)非常有限；且各個(gè)站點(diǎn)之間的距離較大，因而不能很好反映海洋內(nèi)部的一些細(xì)微結(jié)構(gòu)［1］。為了獲得較好的連續(xù)性和高分辨率斷面溫、鹽、深數(shù)據(jù)，大多數(shù)科考船都會安裝移動船載溫鹽剖面儀（Moving Vessel Profiler，簡稱MVP），對于通用型科考船，為了保證設(shè)備的可切換性，也可采用可移動安裝方式。

2 通用固定件螺栓組受力分析

一般而言，地腳螺栓螺栓組會等間距地布置成一個(gè)矩陣（如圖1所示），跨舷作業(yè)設(shè)備可以簡化為一個(gè)吊重模型（如圖 2所示）。

圖1 地腳螺栓

圖2 跨舷作業(yè)設(shè)備受力模型

舷外的垂向力可以移動至舷內(nèi)設(shè)備重心處，這樣就把舷外的垂向力P1轉(zhuǎn)化為舷內(nèi)的垂向力P2以及彎矩M［2］。

根據(jù)《CCS鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范2012》［3］第二篇第3章3.2.2.5節(jié)中對錨機(jī)螺栓組的計(jì)算，由于受力模型類似，故將其引用至計(jì)算螺栓組。在x方向上：

式中：Rxij為x方向彎矩作用在第i行第j列螺栓上的軸向力，kN；Mx為x方向彎矩，kN；Xij為第i行第j列螺栓到整個(gè)螺栓組重心的x坐標(biāo)值（cm），彎矩受拉邊為正；Aij為第i行第j列螺栓剖面面積， cm2；Ix為螺栓組對y軸的慣性矩之和，

螺栓組的定位如圖3所示。

圖3 跨舷作業(yè)設(shè)備受力模型

同樣，在y方向上：

式中：Ryij為y方向彎矩作用在第i行第j列螺栓上的軸向力，kN；My為y方向彎矩，kN；Yij為第i行第j列螺栓到整個(gè)螺栓組重心的y坐標(biāo)（cm），彎矩受拉邊為正；Aij為第i行第j列螺栓剖面面積， cm2；Iy為螺栓組對x軸的慣性矩之和，

所以，對于第i行第j列螺栓的合成軸向力Rij應(yīng)為：

式中：Rsij為設(shè)備重量作用在第i行第j列螺栓的靜反力，kN；Pij為轉(zhuǎn)化后的舷內(nèi)垂向力P2作用在第i行第j列螺栓的靜反力，kN。

在實(shí)際布置科考設(shè)備時(shí)，我們一般總會考慮在舷側(cè)或者船尾一個(gè)方向來供設(shè)備工作，所以為了簡化問題，可以把式（3）簡化為：

式中：RDij為x或y方向彎矩作用在第i行第j列螺栓上的軸向力，kN。

3 配合受力分析

3.1 承擔(dān)跨舷彎矩的幾個(gè)要素

在進(jìn)行地腳螺栓設(shè)計(jì)時(shí)，一般根據(jù)作業(yè)甲板強(qiáng)度以及螺栓件的材料、科考作業(yè)預(yù)期搭載設(shè)備等確定地腳螺栓單個(gè)螺栓的SWL。由于船舶尺度和科考側(cè)重點(diǎn)的不同，此SWL的數(shù)值會不盡相同，我們暫定某型船的地腳螺栓單個(gè)螺栓的安全工作負(fù)荷（SWL）為Q（單位：kN），接下來將校核：

故對于已經(jīng)確定的地腳螺栓陣列，如果在方案階段就已知某個(gè)方向上的彎矩的數(shù)值（最危險(xiǎn)工況），則需要提前設(shè)計(jì)通用固定件的間隙、數(shù)量和SWL，也即

由于沿彎矩方向螺栓行數(shù)的奇偶性對中和軸有影響，所以在此我們分情況進(jìn)行討論。

3.1.1 通用固定件矩陣j為偶數(shù)

有點(diǎn)后悔點(diǎn)了炒面，應(yīng)該吃涼拌面，典型的吃著碗里看著鍋里。除了炒面、涼拌面，還有炒面皮、炒年糕，灌湯臭豆腐，小籠包、蝦籽面、燒餅、混沌、肉丁燒麥……太多的小吃，可一星期不重樣。

j = 2k （k=1，2，3…kmax），顯然在最遠(yuǎn)離中和軸的一行受力最大，即Xijmax=（kmax-0.5）d，見下頁圖4。

令總行數(shù)imax= m，總列數(shù)jmax= n，顯然

圖4 偶數(shù)個(gè)螺栓的情況

3.1.2 當(dāng)通用固定件矩陣j為奇數(shù)

j = 2k+1 （k=1，2，3…kmax），顯然在最遠(yuǎn)離中和軸的一行受力最大，即Xijmax= kmaxd，如圖5所示。

圖5 奇數(shù)個(gè)螺栓的情況

同令imax= m，jmax= n，顯然

故以上兩種情況可以歸結(jié)為：

綜上所述，地腳螺栓的數(shù)量、間距以及軸向安全工作負(fù)荷是承擔(dān)跨舷彎矩的幾個(gè)重要因素。在實(shí)際船舶設(shè)計(jì)時(shí)，Q根據(jù)結(jié)構(gòu)、螺紋能夠負(fù)擔(dān)的載荷確定， d根據(jù)結(jié)構(gòu)形式確認(rèn)（一般會選為肋骨間距），而Mmax是設(shè)備本身屬性。所以對于某特定設(shè)備在某科考船上安裝的情況，我們僅能夠通過調(diào)整通用固定件的數(shù)量特征（也即矩陣的行數(shù)和列數(shù)）來滿足裝船要求的載荷。

3.2 對于數(shù)量特征的深入分析

對于工程設(shè)計(jì)而言，一個(gè)非常重要的考慮因素就是經(jīng)濟(jì)性。如果通用固定件所用的螺栓總數(shù)被限定為S，也即m×n=S，在該條件下求數(shù)量特征值最大的矩陣的行數(shù)和列數(shù)。

可見，看到在自然數(shù)范圍內(nèi)，n取到最大（也即m取到最小）時(shí)，數(shù)量特征函數(shù)有最大值。也即在恒定的螺栓個(gè)數(shù)下，行數(shù)大而列數(shù)小的狹長型矩陣有最好的經(jīng)濟(jì)性。

所以，可以看出數(shù)量特征函數(shù)隨著行數(shù)n的增長而增長，且增速越來越快。也即在一般情況下，增加通用固定件的行數(shù)要比增加通用固定件的列數(shù)效率來得高。

如果我們分析列數(shù)m和行數(shù)n對F（m，n）的影響，則可分別定義為列增幅函數(shù)h（m）和目前數(shù)量特征函數(shù)的比值，以及行增幅函數(shù)g（n）和目前數(shù)量特征函數(shù)的比值：

并分別繪制成曲線，其區(qū)別就顯而易見。

參照該曲線，我們發(fā)現(xiàn)列數(shù)的增加對數(shù)量特征函數(shù)的貢獻(xiàn)始終不及行數(shù)增加來得多，但是兩者的差距在個(gè)數(shù)增多的情況下會越來越小。設(shè)計(jì)者可以選取合適的矩陣行數(shù)和列數(shù)。

圖6 行數(shù)、列數(shù)對數(shù)量特征函數(shù)的影響

3.3 正方形矩陣的特殊情況

根據(jù)上文所述，誠然通用固定件矩陣的行列比越大越好，但是實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，大多數(shù)設(shè)備的基座都是接近正方形的。所以，我們在此分析正方形矩陣這一特例，其在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用最廣泛，在前期方案論證中評估正方形的矩陣也最行之有效。

當(dāng)通用固定件矩陣的行數(shù)等于列數(shù)（即m=n）時(shí)，該矩陣成為正方形矩陣，數(shù)值特征函數(shù)也變?yōu)椋?/p>

將其代入式（6），可得：

根據(jù)求解一元三次方程盛金公式［4］

根據(jù)該公式，我們可以根據(jù)跨舷作業(yè)設(shè)備的外載荷預(yù)報(bào)實(shí)際需要的正方形矩陣大小，并迅速完成布置方案。

4 結(jié) 論

本文重點(diǎn)闡述了地腳螺栓在配合跨舷作業(yè)設(shè)備固定時(shí)需滿足的一些力學(xué)要求。誠然，在推導(dǎo)過程中忽略了設(shè)備自重和垂向力在螺栓上的作用力，但是由于這些作用力方向向下與彎矩產(chǎn)生的力方向相反，對螺栓而言是較安全的，在工程問題上也是可接受的；在跨舷作業(yè)設(shè)備切應(yīng)力的分析上，本文限于篇幅并未展開。但是，由于其與拉應(yīng)力相比數(shù)值很小，工程上的解決手段也非常多樣，所以本文所述的力學(xué)計(jì)算方法在評估裝船的跨舷作業(yè)設(shè)備與地腳螺栓矩陣的設(shè)計(jì)是否匹配方面是切實(shí)可行的，特別是在方案設(shè)計(jì)階段，這種快速的評估手段能夠有效幫助設(shè)計(jì)師對跨舷作業(yè)科考設(shè)備的選型，也能指導(dǎo)對地腳螺栓矩陣的增減或修改。

［1］ 劉長建，毛華斌，陳榮裕，等. 南海北部海洋溫、鹽調(diào)查研究——2004年9月南海北部開放航次移動船載溫鹽剖面儀觀測 ［J］. 熱帶海洋學(xué)報(bào)，2005（1）：89-90.

［2］ 濮良貴，紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì)［M］. 第8版. 北京：高等教育出版社，2006：92-93.

［3］ 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范 2012（第二分冊） ［S］. 2012.

［4］ 范盛金. 一元三次方程的新求根公式與新判別法［J］.海南師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 1989（2）：91-98.

Analysis of match between anchor bolt and overboard working equipment

TANG Qing-zhi
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The anchor bolt, similar as the bolt hole, is a general fastener commonly used on the multi-purpose research vessels. These anchor bolts are usually installed uniformly on the working deck and laboratory decks to fi x the working equipments and scientifi c instruments. The multi-purpose research vessels often carry the various working equipments and scientifi c instruments according to the diff erent mission requirements. The investigations focus on the calculation of the match between the anchor bolt and the overboard working equipment.

research vessel; anchor bolt; overboard working equipment; deck general fastener

U671.91

A

1001-9855（2017）02-0071-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.071

2016-07-11；

2016-09-11

湯清之（1989-），男，工程師。研究方向：船舶舾裝。