35m高速公務船機艙可拆蓋設計

鄧建通 盧龍文

摘 ? ?要：船舶機艙上方通常會設置用于主輔機進出艙的可拆蓋，以便于主輔機的維護保養。本文以某35m高速公務船為例，介紹一種機艙可拆蓋的設計，主要包括結構形式、材料選取、構件尺寸及強度分析等方面。該可拆蓋的設計方法，可為相關工程設計人員提供參考。

關鍵詞：可拆蓋;結構設計;強度分析;高速公務船

中圖分類號：U667.2 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： The removable cover above the engine room is usually arranged for main and auxiliary engines to enter and leave the engine room for the maintenance of main and auxiliary engines in the future. This paper introduces the design process of the removable cover above engine room in a high-speed official ship， including structural form design， material selection， size selection of structural components and strength analysis.

Key words： Removable cover; Structural design; Strength analysis; High-speed official ship

1 ? ? 前言

隨著經濟的發展，國內對于高速公務船的需求越來越大，尤其是中小型公務執法船。在船舶的使用壽命周期內，主機及輔機一般都會經歷小修、中修甚至需出艙進行大修。如果主輔機需要出艙進行維修時，就需要在主輔機上方甲板進行開口的切割處理，這對周邊的結構會形成一定的破壞，還會延長船舶的建造周期。

另外，在建造過程中如果出現主輔機等大型設備推遲到貨的情況，那就需要在船體上預留吊裝主輔機的開口位置，等主輔機進艙安裝后再進行開口位置的船體結構焊接，過程非常麻煩，且不利于建造質量的控制。

因此，為了便于船舶建造時的主輔機進艙及日后的維護保養工作，一般可在主輔機艙上方設置用于主輔機進出艙的可拆蓋，尤其是對于中小型高速公務船。本文根據某35 m高速公務船的具體使用情況，設計出一種機艙可拆蓋。

2 ? ?船舶概況

該船航行于沿海區域，船長為35 m、型寬7 m、型深3.7 m;主船體為鋼質縱骨架式全焊接結構;甲板室采用鋁合金結構，其中鋁合金板材的材料為5083-H116/H321、型材的材料為6082-T6;結構的構件尺寸根據中國船級社《海上高速船入級與建造規范（2015）》（下文簡稱“海高規（2015）”）進行設計。根據本船的設計任務書要求，需在機艙露天甲板上方設置一個長約4.4 m、寬約3.0 m的可拆蓋，以便于機艙大型設備的日后維護保養工作。由于此可拆蓋作為露天甲板的一部分，在保證可拆蓋的強度及密性外，還需滿足美觀性及實用性的要求。因此，此可拆蓋需自行根據尺寸及實際使用情況進行設計建造。

3 ? ?可拆蓋的結構形式

根據使用功能不同，船用蓋子的類型分為進出貨的艙口蓋和進出人的人孔蓋等。

目前常用艙口蓋的類型有以下幾種：

（1）應用于集裝箱船的吊離式艙口蓋;

（2）應用于散貨船的側移式艙口蓋;

（3）應用于雜貨船的折疊式艙口蓋;

（4）普通船的小型鉸鏈式艙口蓋等。.

船用人孔蓋的形式，主要有：帶圍板式人孔蓋;平置式人孔蓋;埋入式人孔蓋;鉸鏈式人孔蓋等。

由于本船可拆蓋與上述蓋子的類型有較大區別，不能完全照搬上述某一型蓋子的結構形式，需綜合考慮進行設計。

本船的機艙可拆蓋是設在露天強力甲板上，其上方不需要作為貨物堆放的場所，而只作為通行使用。為了便于人員通行及更好地利用此處上方的空間，不宜選用帶圍板式蓋子，推薦使用可吊離埋入式蓋子，蓋子鎖緊裝置采用緊固螺栓的方式。為此，設計了兩種不同的埋入式節點連接形式：方案一及方案二，如圖1 a）及圖1 b）所示。

兩種方案連接節點形式的主要優缺點比較，如表1所示：

并根據船東及船廠的意見，本船采用了方案一的連接節點形式。為了使可拆蓋能夠更好地與周邊船體結構進行有效連接，可拆蓋的結構采用單殼形式，其結構形式及骨材的布置與周邊主船體結構一致，并在與可拆蓋連接處的主船體結構做了局部加強，確保可拆蓋邊界處具有足夠的結構剛度?？刹鹕w結構簡圖，如圖2所示。

4 ? ? 可拆蓋的結構材料

本船的主船體為鋼質焊接結構，設置于機艙上方的可拆蓋作為主船體的重要組成部分，其使用的結構材料一般應與主船體的結構材料相同。由于本船對航速的要求較高，而本船的儲備航速非常小，因此嚴格控制本船的船體結構重量是結構設計中的重中之重，任何有利于降低船體結構重量的設計都應有效采用。為此，如果此機艙可拆蓋的結構材料選用船用鋁合金，通過計算分析，其結構材料的重量約為鋼質結構材料的三分之二左右，非常有利于本船的總體結構重量控制。因此，本船機艙可拆蓋的結構材料選取了較為輕質的船用鋁合金，其板材牌號為5083-H116/H321、型材牌號為6082-T6。

5 ? ? 可拆蓋的結構構件尺寸

通常來說，可拆蓋結構構件的尺寸可選取與原有甲板結構構件一致，但由于本船可拆蓋使用的結構材料與原有甲板結構的材料不一致，原有甲板結構的結構材料為船用A級鋼，因此可拆蓋蓋板的厚度、主要骨材的尺寸不能直接按照原有甲板結構構件尺寸進行選取，其構件尺寸可參照《海高規》對于鋁合金甲板結構的要求進行確定。通過規范計算，可拆蓋的蓋板厚度選取為5 mm、次要骨材為5號球扁鋁、主要骨材為T5x130/8x80。同時，因其邊界支承情況與規范不一致，故還應通過有限元計算分析進行校核。

6 ? ?可拆蓋的結構強度校核

雖然通過上述規范初步選取了可拆蓋的結構構件尺寸，但其整體的結構強度還需通過有限元仿真校核計算，確保其結構強度能夠滿足要求。關于艙口蓋結構強度的直接計算，目前《海高規（2015）》并沒有做出相應的規定，雖然《國內航行海船建造規范（2018）》里的第2篇第2章第20節有關于艙口蓋的相關計算規定，但規范里的計算方法并不適用于此種類型的艙口蓋。根據可拆蓋的結構特點，可以參照《海高規（2015）》附錄2第5節的規定對可拆蓋進行局部結構強度分析計算。本文使用大型商用有限元計算分析軟件MSC.Patran/Nastran對本船可拆蓋的結構強度進行了計算分析及安全性校核，其計算過程如下文。

6.1 ? 有限元模型

見圖3、圖4。

（1）模型范圍及坐標系

模型以整個蓋子為計算目標，其坐標系采用笛卡爾右手直角坐標系：x軸的正方向為本船沿船首的方向;y軸的正方向為本船的船寬沿左舷的方向;z軸的正方向為本船沿型深向上的方向。

（2）單元的類型及網格尺寸

模型中采用板單元和梁單元來模擬結構構件：結構板材和主要支撐構件的腹板采用板單元;主要支撐構件的面板和縱骨采用梁單元，并考慮各結構構件的實際截面和偏心;采用基準為50 mmx50 mm的網格尺寸對有限元結構模型進行劃分，計算模型中總共有7014個節點、6 920個板單元、1 450個梁單元。

（3）邊界條件

模型在蓋子螺栓固定處采用簡支約束的邊界條件，即約束模型中的x、y、z三個位移分量。

（4）材料屬性及力學參數

可拆蓋的結構材料為耐海水腐蝕的船用鋁合金，其板材的牌號為5083-H116/H321、型材的牌號為6082-T6;鋁合金的彈性模量為69 000 MPa、泊松比為0.33;板材母材的屈服強度和焊后的屈服強度分別為215 MPa、125 MPa，型材母材的屈服強度和焊后的屈服強度分別為250 Mpa、115 MPa。

（5）載荷及加載

可拆蓋上方不用作承載貨物的場所，其施加的載荷只需考慮此處露天的甲板壓力，甲板壓力值可根據《海高規》的規定計算。計算所得壓力值為0.01434 MPa，甲板壓力通過面壓力施加在可拆蓋的上方。

6.2 ? 許用應力及計算結果

（1）許用應力

根據《海高規（2015）》附錄2中第5.5節關于局部強度衡準的規定，通過計算可得出鋁合金結構局部強度的許用應力值為：板單元的許用等效應力[σe]=100 MPa;板單元的許用剪切力[τ] =55 MPa;梁單元的許用正應力[σ] =88.6 MPa。

（2）計算結果

① 根據應力云圖（圖5），板單元的等效應力為87.8 MPa;

② 根據應力云圖（圖6），板單元的剪切應力值為47.6 MPa;

③ 根據應力云圖（圖7），梁單元的最大應力值為52.4 MPa;

④ 根據應力云圖（圖8），梁單元最小的應力值為-76.2 MPa。

從上述計算結果可知，其應力水平均小于規范許用值，滿足規范要求。

7 ? ?小結

本文介紹了某35 m高速公務船機艙可拆蓋的設計方法，其結構強度滿足規范要求;對于高速公務船可拆蓋的設計，可選擇輕質的船用鋁合金結構材料;本船可拆蓋結構的設計方法，可為相類似的項目提供一定的參考。

參考文獻

[1] 中國船級社（CCS）. 海上高速船入級與建造規范（2015）[S].

[2] 中國船級社（CCS）. 國內航行海船建造規范（2018）[S].

[3] 劉兵山，黃聰. Patran從入門到精通[M ]. 北京：中國水利水電出版社，?? ? ?2003.