浮船坞抱桩系泊装置结构优化设计研究

袁元涛

摘 要：以提高浮船坞运行效率为前提，针对浮船坞抱桩系泊装置结构展开分析。介绍浮船坞抱桩系泊装置结构，并对其展开受力分析，最后从优化设计思路及方法、结构优化设计两个方面阐述结构优化设计，以期能够设计最佳抱桩系泊装置结构，实现浮船坞的有效运行。

关键词：浮船坞;抱桩系泊装置;船舶建造;沉船打捞

中图分类号：U656             文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）10-0069-02

浮船坞是船舶建造领域的一种工程船舶，可以用于船舶修建、沉船打捞、深水船舶运输等。最初修建浮船坞的目的和干船坞相同，即船舶水下部分、推进器、舵等装置的检修，船舶水上部分、船舶机械装置也可以及时进行维修养护。如果浮船坞处于泊碇状态受到水流力、风力等的冲击，可能无法维持正常运行，为了解决该问题需要设计系泊装置。通常浮船坞泊碇包括锚泊泊碇、抱桩泊碇这两种形式，相比之下抱桩泊旋对于附近水域的影响较小，浮船坞平面位置维持不变，为岸坞设备运输提供便利条件。浮船坞抱桩泊碇装置中有导柱、卡环这两个装置，导柱、卡环二者带有配合关系，这样一来使导柱结构尺寸成为卡环结构设计的重要影响因素。所以，浮船坞抱桩系泊装置结构优化设计非常关键。

1 浮船坞抱桩系泊装置结构与方式

浮船坞采用抱桩形式泊碇，抱桩装置由卡环和导柱组成，卡环设于水工建筑上，导柱设于坞墙外壁上。导柱上基座上表面和坞顶甲板齐平，导柱下基座固定于下基座底座上。下基座下表面高于坞基线600mm。全船共设二套抱桩装置，设于浮坞左坞墙外侧。

浮船坞抱桩系泊装置结构主要有两种：第一，两根导柱设于坞体式结构。抱桩系泊装置包括导柱、卡环，浮船坞侧面坞墙设置两根导柱，并且将卡环固定于系均壤之上，卡环内圈使用合金塑料，其作用在于缓冲、抗磨损;第二，两个卡环设于坞体式结构。该结构模式主要是在浮船坞侧面坞墙上安装卡环，导柱固定于系坞墩;第三，导槽式结构。导槽式结构是导柱的一种变形形式，系泊导槽设置于浮船均侧面坞墙，可以取代导柱，导槽内壁设置了铸钢滑板，中间留有一定缝隙支持滑板、横杆连接，横杆其中一端被固定在系坞壤。利用导槽内部滑板的滑动，浮船坞可以顺利实现升沉运动[1]。

2 抱桩系泊装置受力分析

2.1抱桩泊碇外力

（1）风力。浮船坞抱桩处于泊碇状态时，要想躲避风力将工作海域转移，或者使浮船坞受风方向发生改变难度较大[2]。因此，在浮船坞运营期间有可能会受到工作海域风力影响。如果不能保证暴风发生过程中浮船坞的坞内无船，需要将抬船工况当作浮船坞计算工况，若相反则能够将空坞状态当作计算工况。

（2）水流力。浮船坞处于泊旋状态下附近水域的水流为顺流。

（3）波浪力。波浪本身会对浮船坞抱柱泊碇装置有一定的作用，也可以作用于水上固定建筑物。直立墙面上波浪会形成反射，如果水面达到一定深入，向浮船坞提供垂直作用的波浪会在浮船坞的坞墙上形成反射，从而得到立波。

2.2浮船坞抱桩泊碇计算工况

浮船坞计算工况主要有台风工况、最大沉深工况、抬船工况等几种，因为在最大沉深况、抬船工况，且风力小于6级的条件下，浮船坞波浪力、风力与台风工况相比前者较小，所以受力分析也是以台风工况的计算为主[3]。

2.3浮船坞抱桩泊碇外力

按照抱桩泊碇抱桩设计规范，针对专家提出的评审建议进行审核，风载荷、波浪载荷计算需要按照如下数据展开：

（1）风载荷。50年一遇NW向，风速为30m/s;

（2）波浪参数。50年一遇NE向，波浪的波压力计算需要以如下数据为依据展开计算：小风区波浪H1%=1.6m，T=4s，外海传入波浪H1%=0.9m，T=7.6s，波浪载荷计算选取计算较大值[4]。

3 浮船坞抱桩系泊装置结构优化设计

3.1优化设计步骤

因为导柱受到的外力均是向导柱外板施加，外力在导柱外板的作用下向导柱中的其余构件传递，所以结构优化设计过程中，主要是将导柱直径、导柱外板厚度当作核心设计变量[5]。导柱直径、导柱外板板厚属于离散型变量范畴。导柱直径变化量设置为100mm，导柱外板板厚的变化量设置为2mm。同时，导柱中部受力组主要是浮船坞在最危险受力工况的基础上导柱受到的外力作用。

当导柱直径、导柱外板厚度变化范围确定之后，设计人员需要将参数值输入到VB.NET参数化建模平台当中，输入完毕点击生成命令获得APDL命令流文件，通过ANSYS计算功能读取APDL命令流文件，构建有限元模型。随后将完成构建的有限元模型文件打开，向其施加外载荷，并且明确边界条件，通过计算获得导柱模型质量，分析之后对所有受力下应力规范性进行检查，确定其符合许用应力值规定之后对比模型重量，选择最轻的模型，选择模型结构所有参数值便是最优设计参数，以此获得结构设计的最佳方案。

3.2 导柱基座强度校核

（1）基座反力

式中：a值在抬船工况高潮位时=1.75m，最大，但支座A处的总应力中，所引起的弯矩应力数值大，因此在a=3.075m，虽小，但总应力反而大（分析计算略），故a取为3.075。

上支座反力其最大值应在抬船工况低潮位时a最大时（a=7.59m）有最大值，很明显<，而上下支座的支承情况相同，故以最大受力状况（由前计算>）仅校核下支座。

（2）支座及导柱重力

力作用点至坞墙距离LC：2.4m

3.3载荷计算

浮船坞处于最危险受力工况下导柱纵向的载荷是1300t，横向载荷即为1600t。在外力作用下导柱的力向外板半个圆周面施加分散力，随后加载模型的过程中，导柱承受压力通过拟合成为正弦曲线分布要求模式，载荷则按照模型需求对面单元数进行加载，并且分解面单元导柱圆周面中角度、面单元面积，确保拟合导柱受力准确性。计算结束后利用GUI操作List>Results>Nodal loads>All struc fore F的方式檢查不同轴方向合力，确保载荷方向与大小的准确性。

3.4计算结果对比与分析

（1）当导柱直径为2000mm时，导柱外板厚度、计算载况不同，与之相应的最大等效应力值也存在差异，具体见表1。

（2）当导柱直径为2200mm时，导柱外板厚度、计算载况相应的最大等效应力值见表2。

（3）当导柱直径为2400mm时，导柱外板厚度、计算载况相应的最大等效应力值见表3。

通过表1～表3数据可知，导柱直径为2000mm，板厚T<44mm时，导柱模型的应力与许用值规定不符，当导柱直径为2200mm，板厚T<40mm时，导柱模型应力与许用值规定不符，导柱直径为2400mm，板厚T<38mm时，导柱模型应力与许用值规定不符。为此需要优化模型重量，从之前的94.577t优化为93.345t，因为导柱直径减小，所以活动卡环、固定卡环结构优化设计的过程中尺寸同样会随之减小，从而达到减轻结构重量的目的。

4 结束语

综上所述，浮船坞抱桩系泊装置进行结构优化设计，期间需要明确常见结构，了解装置受力情况，采用合适的优化设计方法。一方面能够使抱桩系泊装置更加高效的运行，另一方面则能够为浮船坞作用的发挥提供条件。今后开展结构优化设计工作，需要调整设计变量数量，比如导柱与上下基座的高度，使结构优化设计更加深入。

参考文献：

[1]张小博.5000TCL浮船坞内装设计分析[J].科学技术创新，2019（20）：22-23.

[2]张平.大型浮船坞水上加宽改装技术研究[J].船舶标准化工程师，2019，52（02）：56-58+65.

[3]张士天，邵国伍，严成麟.浮船坞抱桩区域坞墙结构强度评估[J].江苏船舶，2019，36（01）：15-17.

[4]管官，年继业，杨蕖.基于FLUENT的浮船坞抱桩泊碇受力仿真[J].船舶标准化与质量，2018（01）：38-41.

[5]刘燕星，陈晓明，江峰.浮船坞抱桩泊碇靠船墩结构强度分析[J].广东造船，2017，36（06）：25-27.