一種自由拋落式船舶救生設(shè)備艇架設(shè)計(jì)與優(yōu)化

索小娟，張念淮

(河南省智慧教育與智能技術(shù)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450052)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的增長和國際地位的提高以及經(jīng)濟(jì)的全球化，我國與世界各國之間的進(jìn)出口貿(mào)易往來愈發(fā)頻繁，海洋運(yùn)輸業(yè)得到了很大的發(fā)展。繁榮發(fā)展的航海貿(mào)易事業(yè)對(duì)于各種救生配套設(shè)備也產(chǎn)生了迫切的需求。一般而言，救生艇架基座和支撐結(jié)構(gòu)是避免人員傷亡的重要因素[1-3]。基座承受的載荷較為復(fù)雜，不僅需要承受吊艇架產(chǎn)生的正應(yīng)力，還需要考慮在工作時(shí)所受基座的剪切力，從而提升救生艇的可靠性和安全性?；诖?，將重點(diǎn)關(guān)注拋落式救生艇的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、逆向思考、一般常規(guī)與求異、內(nèi)部工程設(shè)計(jì)構(gòu)造以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面，為拋落式救生艇的設(shè)計(jì)提供更多的參考依據(jù)，從而更好地滿足其應(yīng)用的特點(diǎn)與必要性。在解決方案中，設(shè)計(jì)思路可能會(huì)受到一定的限制，從外形、結(jié)構(gòu)和工程設(shè)計(jì)上都很難取得突破，但是，通過不斷的努力和改進(jìn)，可以在較長時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)來解決復(fù)雜的問題，從而獲得更好的解決效果，為拋落式救生艇的發(fā)展帶來更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

1 自由拋落式救生艇的設(shè)計(jì)

1.1 基本設(shè)計(jì)思路

救生艇在工作過程中會(huì)因傾覆力矩和自身重力荷載的作用，將承受到的力借助基座傳遞至配套支撐結(jié)構(gòu)上[4-6]。因此，為了有效降低救生艇在船舶運(yùn)行過程中發(fā)生意外的概率，保證作業(yè)人員生命安全，采取自由拋落式的救生艇，將有效緩解救生裝置的載荷。并且，考慮到救生艇基座支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在此次設(shè)計(jì)中，基座俯視圖如圖1 所示。其中原圖紙結(jié)構(gòu)為每20°一個(gè)，共18 個(gè)支撐肘板，在建模過程中為方便網(wǎng)格協(xié)調(diào)改為14 個(gè)，每25.7°增加加強(qiáng)板，且為確保強(qiáng)度不受影響，驗(yàn)證二者應(yīng)力相差甚微，肘板厚度仍采用圖紙尺寸為10 mm。

圖1 基座俯視圖Fig.1 Top view of base

圖2～圖4 為自由拋落式的船舶救生設(shè)備艇架，其基座呈橢圓狀，總高560 mm，內(nèi)部開有一直徑940 mm、壁厚14 mm 的圓筒。基座臺(tái)面共設(shè)有36 個(gè)直徑22 mm的螺栓孔，用于固定?；屡c8 mm 厚的第一甲板直接相連，相連處采用一圈尺寸為FB300×18 扁鋼作為底部支撐。

圖2 救生艇架基座A 剖面圖Fig.2 Section A of lifeboat frame base

圖3 救生艇架基座剖面圖Fig.3 Section of lifeboat frame

圖4 救生艇架基座B-B 剖面圖Fig.4 Section B-B of lifeboat frame base

下層的設(shè)計(jì)有縱橫各1 道T 型材和2 道橫向角鋼支撐，垂向還有一支柱在基座圓心正下方，該支柱直徑133 mm，壁厚8 mm，與縱橫T 型材連接保障支撐，高度從第一甲板直穿至主甲板，保證構(gòu)件應(yīng)力能合理傳遞。采取左舷一側(cè)開口，舷側(cè)內(nèi)包含多個(gè)T 型材與L 型材，右側(cè)艙壁由兩根立柱支撐在扁鋼上。

基座下骨材尺寸（單位：mm）設(shè)計(jì)為：

1.2 模型范圍

建模的設(shè)計(jì)原則需要嚴(yán)格遵循中國船級(jí)社（CCS）《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》第三章要求，并按照《油船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南》規(guī)范，對(duì)此次的設(shè)備改裝展開設(shè)計(jì)。

救生艇架模型，縱向范圍#45 肋位到#58 肋位，垂向范圍從主甲板到第一甲板高3 050 mm。在自由拋落式的艦船救生艇設(shè)計(jì)上，對(duì)各構(gòu)件的有限元模型加以完善。

如圖5 所示，將拋落式救生艇核心艙段一分成四（200 mm×200 mm），通過前置的燃油機(jī)提高了艇體前端的重力，使艇體重心和涌水量方向相同，獨(dú)立的螺旋槳艙對(duì)激勵(lì)系統(tǒng)也具有相應(yīng)的防護(hù)功能，而加長的力量傳動(dòng)設(shè)備則在減速帶狀況下比較易受到破壞。此外，此次設(shè)計(jì)還引入球鼻艏，起到降低船體興波阻力作用，為反方向拋落救生艇創(chuàng)造良好構(gòu)造環(huán)境。

圖5 救生艇架基座及支撐結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.5 Finite element model of lifeboat frame base and support structure

2 拋落式救生艇的改良

2.1 拋落式救生艇存在的問題和實(shí)質(zhì)

拋落式救生艇是針對(duì)海事救助而設(shè)計(jì)的一類全封閉救人船舶，目前廣泛安裝在大中型郵輪、貨輪及其深海區(qū)的工作平臺(tái)上。當(dāng)重大災(zāi)害出現(xiàn)時(shí)，可以快速載人脫離險(xiǎn)境。然而在實(shí)際運(yùn)用過程中仍存在著許多問題，特別在艇體入水瞬間發(fā)生的強(qiáng)大水流沖擊力，對(duì)艇體和艇內(nèi)工作人員的生命安全均有很大威脅。

按照拋落式救生艇的工作特性，可以將其入水流程概括為軌道滑行、自由落體、涌水量和航行速度4 個(gè)階段。首要問題是將其入水中，在這一過程中艇身的局部結(jié)構(gòu)瞬間受到了大量水流沖擊負(fù)荷，而此乃救生活動(dòng)成敗的關(guān)鍵。目前常規(guī)上比較成熟的方案都是采用增加艇體局部厚度及增設(shè)加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)，以提高整體強(qiáng)度，對(duì)抗巨大水流載荷，而這些方案都需要進(jìn)行細(xì)致的測(cè)算，使救生艇在設(shè)計(jì)滑落高度范圍內(nèi)下滑至水中時(shí)，具有足以對(duì)抗強(qiáng)大水流所致壓力的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。此類方案無疑會(huì)使艇體重量顯著增加，而振動(dòng)以及碰撞也將會(huì)降低工作人員的舒適性和艇內(nèi)設(shè)備的安全性，并且由于救生艇需要充足的動(dòng)能在降至海面后快速駛出與沉船之間產(chǎn)生的渦流區(qū)域，所以對(duì)救生艇動(dòng)力裝置的保障如若失靈，則逃逸任務(wù)也將前功盡棄。拋落式救生艇除了一定要在外形造型設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)之外，座艙設(shè)計(jì)仍有待于進(jìn)一步改進(jìn)。為了讓乘客在拋落時(shí)能夠獲得更好的支撐，設(shè)計(jì)一種倒行艙椅。據(jù)此，總結(jié)出以下2 個(gè)方面：

1）需要更加完善的造型設(shè)計(jì)，達(dá)到減少下水的震蕩和顛簸的效果，從而可以更好地保障艇載動(dòng)力裝置的安全和穩(wěn)定。

2）為了維持艇載動(dòng)力設(shè)備的正常運(yùn)行，必須采取措施，減少拋落式救生艇入水時(shí)產(chǎn)生的巨大壓力，并且改善艇內(nèi)的座艙布局，以提升乘客的舒適度。因此，要想有效地減輕振動(dòng)、顛簸等不利因素，必須采取有效的措施解決這一矛盾。

2.2 拋落式救生艇的優(yōu)化

通過對(duì)拋落式救生艇的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)其傳統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，具體思路如下：

1）由于激勵(lì)裝置和座艙的設(shè)計(jì)，使得艇身的中心結(jié)構(gòu)偏向于船體的前端或后端，從而導(dǎo)致船舶在拋錨時(shí)，先是輕微的，然后是沉重的，內(nèi)部受力不均，從而容易引發(fā)船體破裂、振動(dòng)和凸點(diǎn)的加??；

2）槳和操縱舵葉都是獨(dú)立于船體的，能夠承受巨大的水壓，但也容易受到外界的干擾。

基于以上思路，對(duì)自由拋落式的船舶救生設(shè)備艇架加以優(yōu)化，不僅能夠滿足船員的安全保障，同時(shí)加采用固船體、安裝座椅等技術(shù)手段，也可以增加船舶結(jié)構(gòu)的完整性、密封性，并且減少入水時(shí)的水流阻力，從而達(dá)到更好的安全效果。

救生艇結(jié)構(gòu)受力分布圖如圖6 所示，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)局部如圖7 所示。

圖6 救生艇結(jié)構(gòu)受力分布圖Fig.6 Force distribution diagram of lifeboat structure

圖7 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)局部Fig.7 Optimized structure local

優(yōu)化各工況應(yīng)力如表1 所示。強(qiáng)度校核如表2 所示。

表1 優(yōu)化本設(shè)計(jì)各工況的應(yīng)力匯總Tab.1 Stress summary of each working condition of optimization design

表2 本設(shè)計(jì)的強(qiáng)度校核Tab.2 Strength check of this design

通過對(duì)比模型優(yōu)化前后的應(yīng)力云圖并分析，發(fā)現(xiàn)減小支撐結(jié)構(gòu)的腹板以及肘板厚度后，本文設(shè)計(jì)的自由拋落式的船舶救生設(shè)備所受的最大應(yīng)力基本保持不變，可見改變支撐結(jié)構(gòu)腹板和肘板厚度，荷載對(duì)基座應(yīng)力的影響很小，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)處梁的正應(yīng)力影響稍大，對(duì)梁的剪應(yīng)力影響也很小。據(jù)此，說明本次的設(shè)計(jì)方案可取。

3 結(jié) 語

對(duì)于本次救生艇架基座和支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過對(duì)基座甲板下方的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，板單元的最大應(yīng)力值沒有發(fā)生太大的變化。在應(yīng)力滿足規(guī)范條件下，與規(guī)范值相比還有足夠余量的時(shí)候，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，可以最大限度地減少支撐結(jié)構(gòu)。其中還可以減小基座鋼材的厚度，降低材料使用。因?yàn)榧装搴穸仁歉鶕?jù)船體建造規(guī)范強(qiáng)度所設(shè)定的，以減小基座的厚度，省去不必要的支撐結(jié)構(gòu)鋼材用量，在保證強(qiáng)度的同時(shí)還可以簡化加工工藝，降低了建造的成本。