半潛式游艇運輸船艉門緊固裝置反力分析

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，會在艉部設置可開閉式艉門，形成一個人員與物流通道，實現人員、物資等快速上船和下船。艉門開閉有上翻、側開和下翻等多種形式，其中下翻式艉門因在開啟狀態下可用作船舶與岸基（或登陸點）之間的連接橋或下水滑道，且具有快速運送人員、裝卸物資和收放小艇等優點，在船上的應用極為廣泛。如何保證艉門的結構安全性是在設計艉門時需考慮的關鍵問題之一。在進行艉門及船體結構強度校核時，輸入載荷數據必不可少，這就涉及支反力計算，對于連接艉門與船體結構的緊固裝置處的支反力，常規的解法有力法和位移法等，形式繁瑣，計算過程復雜，不適于解決復雜的工程問題。本文以某半潛式游艇運輸船為例，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范要求的冗余設計等進行分析。

1 船舶的整體功能特點和主尺度

1.1 整體功能特點

本文所述目標船為半潛游艇運輸船，可裝卸的貨物為游艇、內河游船、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計，貨物甲板高度為5.9 m。

該船設計有舷側和艉門結構，用于保護貨物甲板上的貨品在運輸過程中不受風浪的侵蝕和破壞。艉門的寬度為40 m，高度為8.3 m，類似于滾裝船的跳板，靠液壓缸開啟和關閉。艉門開啟和關閉示意圖見圖1。

圖1 艉門開啟和關閉示意圖

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閉狀態。該船最大半潛深度為13.5 m，在限定海況下進行半潛操作。在半潛狀態下，貨物依靠自身動力或通過牽引進入運輸船中，此時艉門處于開啟狀態；待貨物上船之后，運輸船上浮，艉門關閉，固定貨物之后開啟航程。

1.2 主尺度

該半潛游艇運輸船的主尺度見表1。本文中描述的坐標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 半潛游艇運輸船主尺度

2 艉門的功能特點與緊固裝置的限位功能

2.1 艉門的功能特點

該船采用下翻式艉門，其功能特點如下：

1）艉封板處安裝有1 扇水密艉門；

2）艉門底部與船體結構在全寬范圍內鉸鏈連接；

3）艉門在船舶航行期間保持水密關閉狀態；

4）當艉門處于打開狀態時，在整個船體橫向方向和貨物甲板以上從外側到貨艙區提供無障礙通道。

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的鉸鏈，左右舷各1 個，軸直徑為200 mm，見圖2。

圖2 主鉸鏈示意圖

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構在主鉸鏈和副鉸鏈處通過銷軸連接，可繞軸轉動，方向線位移與方向線位移關聯。

圖3 副鉸鏈示意圖

3）舷側拉緊銷：艉門關閉時通過舷側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 舷側拉緊銷示意圖

4）頂部限位銷：艉門關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

其他協助艉門開啟和關閉的系統或裝置不在船舶航行過程中起作用，不在本文研究范圍內。

各緊固裝置的位置見圖6，其中：主鉸鏈標號為左舷-8，右舷8；副鉸鏈標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

根據該船的初步裝載手冊，選擇3 種典型裝載工況進行計算。

1）LC01：壓載出港，最大靜水彎矩。

2）LC03：滿載出港，最大吃水。

3）LC17：單側裝載800 t貨物出港，對應最大靜水扭矩。

3.2 波浪工況

根據英國勞氏船級社規范的要求，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。該船航區設計為無限航區，選取北大西洋波浪散布圖進行長期預報，波浪譜選用P-M譜。超越概率取為10，該數值大致對應于20 a一遇波浪的設計值。浪向在0° ～180°范圍內，步長為30°，共7 個浪向，其中0°為迎浪方向。采用等效設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，水線面處動壓力達到最大，有3 種設計波：

（1）0.25處水線面位置動壓力達到最大，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 節中的3 種典型裝載工況組合，共需計算的工況數量為306 個。

3.3 工況編號

為便于描述，對全船計算工況進行編號，根據3.2 節中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

計算采用整船結構強度評估的全船有限元模型完成，艉門結構模型按設備商提供的圖紙構建，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行模擬，艉門與船體連接處主要表現為拉壓關系，且不同緊固裝置處存在不同大小的間隙，以便安裝配合。根據實際載荷傳遞的特點，采用多點約束（Multi-Point Constraints，MPC）模擬艉門與船體之間的連接關系。主鉸鏈與副鉸鏈處配合間隙為1 mm（認為無間隙）；舷側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，從節點位移與主節點保持一致。艉門與船體在各緊固裝置處的自由度關聯見表2。對于艉門與船體在舷側拉緊銷和頂部限位銷處方向存在一定間隙，初步計算時不做關聯，根據計算結果的相對變形值進行判斷處理。

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聯

5 計算結果

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 舷側拉緊銷x方向反力和頂部限位銷y方向反力

舷側拉緊銷取三者中的大者，舷側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置的間隙值獲得的，因此需讀取相應的變形值判斷舷側拉緊銷和頂部限位銷上是否應存在方向反力。根據計算結果讀取舷側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，因此認為舷側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力（分別施加在艉門和船體兩側）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置的10 mm 間隙，頂部限位銷會承擔一部分方向反力，最初得到的主鉸鏈處方向反力值偏大。

6 冗余設計的反力

根據勞氏船級社規范的要求，固定裝置和支撐裝置的布置應具有冗余設計性，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，但不超過正常設計時許用應力的20%。本文所述船舶的鉸鏈共計17 個，舷側拉緊銷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，但經計算比較得出頂部限位銷產生的影響更大，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計下的反力。緊固裝置冗余設計的反力見表7。

表7 緊固裝置冗余設計的反力

7 結 語

通過對某半潛式游艇運輸船艉門和船體緊固裝置的反力進行分析，得到的支反力為艉門或船體位置的結構加強提供了重要的數據輸入。冗余計算既是規范的要求，也是設計者為保證工程安全性而對此類緊固裝置做的設計評估工作。本文介紹的方法和所得結論已得到設備商、船東和船級社的認可，目前該船已投入運營，運行狀況良好，可供同類型運輸船設計參考。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果還需通過實船運營和更多類似的工程項目檢驗。