拼接式游覽艇螺栓連接結構設計與強度校核

張曉瑩，扈 喆，林國珍，朱兆一，陳清林

（集美大學 福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021）

0 引 言

游覽艇為濱海、河流和湖泊旅游景區必備的運輸工具，用于游客開展水上觀光、垂釣等娛樂休閑活動。廣義上說，游覽艇是游艇的一種。目前游艇和郵輪行業已被船舶界公認為具有巨大發展潛力的行業，近年來國家對游艇的發展給予了巨大支持。盡管游艇的最終定位是成為大眾化消費品[1]，但我國當前的人均收入還不足以承擔此項費用，加之相關管理政策和國人的海洋文化理念相對滯后[2]，可預見短期內游艇不會得到普及[3]。在該環境下，景區游艇觀光作為一種傳統、有效的過渡形式得到推崇[4]。

然而，在游艇業拓寬至景區旅游觀光的過程中存在運輸問題。許多旅游景區（如湖泊、水庫）位于內陸，其運輸渠道往往是復雜多變的山路。傳統大型游艇的加工成形多在廠房中進行[5-6]，此類游艇的整體運輸存在巨大困難，一方面存在運輸損壞風險，另一方面可能導致成本大幅增加。相比私人游艇，景區游覽艇的使用率較高，考慮到景區環境復雜及人工操作不規范等因素，可預見景區游覽艇有較強的維護需求。現有的整體化設計建造方式不利于降低游覽艇維護成本，對于交通條件惡劣的景區，整艇返廠維修勢必涉及運輸問題，進一步增加維護成本。

現場拼接式游覽艇的船體分段在工廠建造之后，運輸至景區進行現場拼接，可有效解決整體運輸帶來的成本增加問題，有望在山地景區被大量采用。拼接結構的形式與布置是否合理是決定游覽艇設計成敗的關鍵。拼接結構的設計應考慮運輸的方便性、現場拼接的可操作性及結構強度。本文采用螺栓連接形式設計主船體與連接橋的拼接結構，采用水動力分析雙體船載荷，并計算校核螺栓的強度；同時，采用有限元計算校核連接位置處結構的強度。校核結果表明，該設計符合相關要求。

1 現場拼接式游覽艇簡介

該現場拼接式游覽艇用來在湖泊、水庫等地短途載運游客游覽，具有視野開闊、安全、舒適的特點，建造成本低，使用方便。該船具體的特征為：

1) 主體材料采用玻璃鋼，重量輕，外觀清潔美觀；

2) 采用雙體型，甲板面積開闊，載重量大，穩性好，操縱靈活，安全性好；

3) 連接橋采用工字鋼，在保證強度的同時可降低成本。

該船的主體設計基于《內河小型船舶檢驗技術規則》[7]（以下簡稱《規則》）開展，其主尺度見表1，總布置圖見圖1。

表1 設計主要參數

圖1 現場拼接式游覽艇總布置圖

二片體為完全對稱的形狀，片體采用橫骨架式，單片體共設5道水密艙壁。為節約玻璃鋼材料，降低成本，該船的主體采用甲板大開口型設計，即主甲板除艏艉艙密封以外，其余部分均采用敞開式設計，艙口蓋板采用木質艙口蓋與水密防水布的組合形式。為保證船舶的安全性和穩定性，片體空艙內填充不吸水的封閉型發泡塑料。圖2為該船主體結構示意。

圖2 主體結構示意

2 螺栓連接結構設計

2.1 拼接結構設計概述

二片體采用玻璃鋼材料，為保證其質量，宜在船廠加工成型，不宜在現場制造。連接橋（如圖2所示）由標準的工字鋼型材組成。工字鋼可在船廠加工成相應的形狀之后，運輸至現場焊接成整體連接橋。上層建筑主要包括雨棚、欄桿、座位和地板等，均可在船廠加工完成之后運輸至現場拼接組裝，并采用焊接方式連接至連接橋。

2.2 螺栓連接結構設計

為方便現場拼接和后期拆卸維修，工字鋼框架與玻璃鋼船體采用螺栓連接。該連接形式基本采用《纖維增強塑料船建造規范》[8]中第4章第4節“連接”推薦的形式及附錄A（結構構造細則）推薦的形式。為實現鋼框架與主船體的連接，在主船體實現甲板與橫艙壁連接（見文獻[8]中A4.1各圖）的基礎上，再用文獻[8]中A6.2(2)的連接方式（此時將“支柱”視為工字鋼）。

圖3為玻璃鋼雙體與工字鋼連接橋梁架連接螺栓布置示意。在圖3中，每隔250mm設置一對M16型號連接螺栓，共500個。圖4為工字鋼框架與玻璃鋼主船體連接示意。為避免局部應力集中和方便施工，在連接位置處增設耳板，焊接于工字鋼翼板兩側。螺栓連接點布置于耳板上，可有效增大螺栓間的距離和螺栓與強桁材間的距離。

圖3 玻璃鋼雙體與工字鋼連接橋梁架連接螺栓布置示意

3 螺栓連接結構直接強度校核

基于《纖維增強塑料船建造規范》[8]第2章第15節，應用直接計算法校核螺栓連接雙體船局部強度。由于本文僅考慮螺栓及螺栓孔附近結構的強度，因此采用局部建模并確定螺栓載荷的方式進行計算分析。參考《纖維增強塑料船建造規范》第2章第15節的相關規定進行建模、設定邊界條件、加載和校核評估。采用水動力分析軟件DNV.SESAM直接計算螺栓組所在水平截面的波浪載荷，在疊加靜水載荷之后得到總載荷。螺栓組所在水平截面的載荷實際由螺栓承擔，將截面載荷換算成螺栓載荷之后即可采用通用有限元軟件MSC.Patran/Nastran進行強度分析。

圖4 工字鋼框架與玻璃鋼主船體連接示意

3.1 計算工況

本文考慮滿載和空載2種裝載工況（見表2）。

表2 裝載工況

2種裝載工況各含4種載荷組合工況，分別為：

1) 工況LCx+y+，螺栓最大X剪力（正向）+螺栓最大Y剪力（正向）+螺栓最大Z拉力（負向）；

2) 工況LCx-y-，螺栓最大X剪力（負向）+螺栓最大Y剪力（負向）+螺栓最大Z拉力（負向）；

3) 工況LCx+y-，螺栓最大X剪力（正向）+螺栓最大Y剪力（負向）+螺栓最大Z拉力（負向）；

4) 工況LCx-y+，螺栓最大X剪力（負向）+螺栓最大Y剪力（正向）+螺栓最大Z拉力（負向）。

3.2 載荷計算

采用DNV.SESAM軟件分析連接螺栓組所在平面的波浪載荷。采用Patran_pre軟件建立船體外板濕表面模型（見圖5）。濕表面網格共1948個，平均網格邊長為250mm，肋位間網格數為2～3個。采用Patran_pre軟件建立船體質量模型（見圖6）。船體外板、甲板和縱桁等采用shell單元，連接橋工字鋼和上層棚子支架等采用beam單元，船上設備、驅動掛機、座椅和人員等采用質量點。建好之后的模型的總質量與實船質量相差0.3%。該船的工作水域為平緩封閉水域，最大水深為30m，依據規范，按C級航區計算，目標波高取0.5m。浪向劃分0°～180°，間隔15°。該船長約15m，波長15m對應波浪周期為3.1s，故分析波浪周期范圍為0.2～7.0s，間隔0.2s。采用尼古拉耶夫經驗公式估算橫搖阻尼系數。

在生成濕表面模型及質量模型之后導入HydroD模塊。采用WADAM模塊計算螺栓組所在截面波浪載荷，結果見表3。

圖5 雙體玻璃鋼景區游覽船濕表面模型示意

圖6 雙體玻璃鋼景區游覽船質量模型示意

表3 各工況最大波浪載荷

參考絞車支座螺栓載荷計算方法計算連接螺栓所受載荷，由于波浪載荷呈周期性，為保守起見，這里采用最大的載荷組合形式，即載荷各成分符號相同。螺栓軸載荷的計算式為

式(1)～式(3)中：XiR 、YiR 和ZiR 分別為第i個螺栓所受的X向剪力、Y向剪力及Z向拉力；ZXYI I I= + ；ix和iy分別為第i個螺栓相對螺栓組形心的X坐標及Y坐標；iA為第i個螺栓的橫截面積；N為螺栓總個數。

3.3 有限元模型

坐標系統采用右手坐標系：x軸沿縱向，以船首為正方向；y軸沿橫向，以左舷為正方向；z軸沿型深方向，以向上為正方向。建模范圍為玻璃鋼體與連接橋連接局部位置，縱向跨度為3道強框架，橫向范圍為甲板開口處至舷側。該船典型螺栓連接節點有2種形式，分別位于連接橋與玻璃鋼體外舷和內舷的連接處。2種連接節點示意如圖4所示，有限元模型見圖7和圖8。由于螺栓孔處尺寸較小，與板厚相當，故采用體單元建模。體單元邊長取8～10mm。采用多點約束模擬螺栓載荷。在模型與船體強構件連接處設X、Y和Z等3項位移與轉角約束（見圖9）。

圖7 連接節點1有限元模型示意

圖8 連接節點2有限元模型示意

圖9 連接節點1和節點2有限元模型約束示意

連接處采用玻璃鋼材料。為保守起見，參考《材料與焊接規范》[9]中接受的最低材料標準，選取短切氈增強的玻璃鋼層板。連接橋材料為普通Q235碳鋼。玻璃鋼材料屬性見表4。

表4 玻璃鋼材料屬性 單位：N/mm2

3.4 螺栓強度校核結果

采用普通3.6級國標粗牙M16螺栓，螺栓極限強度計算式為

式(4)和式(5)中：TR和SR分別為螺栓的拉伸及剪切極限強度；Sσ為螺栓屈服極限；S為螺栓有效截面積。采用式(1)～式(3)計算螺栓載荷，各工況最大螺栓載荷見表5。

表5 各工況最大螺栓載荷 單位：N

最大螺栓載荷遠小于螺栓極限強度，螺栓安全性足夠。

3.5 螺栓孔附近強度校核結果

將表5中的最大螺栓載荷施加在節點1和節點2的有限元模型上，可得該船連接螺栓孔附近結構強度校核結果見表6。典型工況應力云圖見圖10。計算結果表明，螺栓孔處結構強度滿足規范要求。

圖10 節點1和節點2典型工況（LCx+y+）螺栓孔附近結構應力云圖

4 結 語

本文設計了現場拼接式游覽艇連接結構。考慮到拆裝結構運輸的方便性及現場施工的可行性，將整艇分為玻璃鋼片體（2個）、連接橋和上層結構等3部分，其中玻璃鋼片體在船廠加工成型。船廠加工標準工字鋼與上層建筑構件，將其運輸至現場之后焊接成連接橋和上層結構。玻璃鋼片體和連接橋結構采用螺栓連接，并對局部鋪層進行加厚。采用DNV.SESAM軟件分析波浪載荷，并結合MSC.Patran/Nastran軟件計算螺栓連接結構的強度。計算結果表明，螺栓及螺栓孔結構強度均滿足相關規范要求，并留有一定的安全裕度。