基于仿真分析的工作艇吊艇架选型设计

申常云 祝文倩

摘    要：根据用户在给定海况条件下安全收放工作艇的需求，对某船所配设的工作艇吊艇架进行选型，并参照规范要求进行设计布置;采用ANSYS AQWA软件，考虑船与工作艇的耦合作用对其在给定海况条件下的运动幅值等进行动态仿真分析，得出吊艇架具备安全作业的条件、作业时间窗口等;经实船试验验证，满足用户及规范、法规的要求。

关键词：吊艇架;工作艇;耦合作用;动态仿真分析

中图分类号：U667.6                              文献标识码：A

Abstract： Based on the requirement of the users of safely stowing & releasing of workboat under the given sea condition， the type selection of boat davits for a ship and layout design according to the rules are carried out， considering the coupling effect between the ship and workboat， the dynamic simulation analysis of the motion amplitude under the given sea condition in a certain time domain is conducted by using the ANSYS AQWA software， and finally the working conditions & job time window for the operation security of safely stowing and releasing of workboat by boat davit are obtained. Verified by the test of stowing and releasing workboat of the actual ship， the selected workboat davit meets the requirements of the users， rules and regulations.

Key words： Boat davit; Work boat; Coupling effect; Dynamic simulation analysis

1     前言

對于需要在风浪海况条件较高的水域进行收放工作艇作业的船舶，采用常规的单吊点起吊方式的艇架装置难以满足作业需求;另一方面，现行法规、规范对艇的条文主要是关于救生艇的配置问题，其关注点除乘员数量外，则是在偏静态条件下艇的存放、登乘、降落和回收，以及母船的纵倾和横倾状态;对于以工程作业为主的工作艇的配置，以及在某种海况条件下需具备什么样的收放工作艇的能力则没有给出衡准规定，相关的设计手册对这类情形也未给出明确的指引和方法。

结合作业方的实际需求，了解收放作业时工作艇的横摇、纵摇、摆幅、工作窗口等关键控制点，在设计选型中考虑作业方的海况作业能力需求和法规对母船的纵、横倾角的限值，综合考虑船与工作艇的动态耦合作用，采用动态的仿真分析来分别评估单吊点和双吊点艇架收放工作艇的作业状态，以便得到一个合适可行的工程结果。

以某船（以下称母船）适合三级海况收放工作艇的配套双吊点起吊方式艇架装置（以下简称双吊点艇架）的选型设计为例，简要介绍双吊点艇架的选型、静态布置要求、船与工作艇的耦合作用的动态仿真分析、与单吊点艇架运动幅值对比、设计方案和试验验证、注意事项等。

2     双点吊艇架方案的技术可行性

2.1   双吊点艇架

双吊点艇架主要有重力倒臂式、重力跨步式、重力滑轨式等型式[1]，其中以重力倒臂式及其改进型的应用较多。母船所选双吊点艇架为改进的液压倒臂式双点吊艇架，此类吊艇架国内外有多个厂家可以生产供货，设计工况可做到母船纵倾10°、横倾20°。

2.2   工作艇

母船所配工作艇的总长约7.5 m、空艇重约6 t;首尾部位置各设一套吊钩装置，该吊钩装置可与双吊点艇架上的首尾吊环实现快速挂钩和脱钩，实现艇的收放。

2.3   双吊点艇架的静态布置要求

双吊点艇架装设在首楼甲板右舷甲板区域，装设吊艇架后通道宽度应满足人员通行要求。

参考国际救生设备规则关于“救生艇在最轻载航行时纵倾至10°和任何一舷横倾至20°的不利情况下到达水面”的规定[2]，并参考类似船的布置和作业要求，工作艇收放作业时母船横倾一般不超10°;该船参照“工作艇在最轻载航行时纵倾至5°和任何一舷横倾至10°的不利情况下到达水面” 的规定[3]进行布置，当母船为轻载吃水并正浮时，吊艇架最大跨距状态下，工作艇外缘与母船舷侧间距离约1 200 mm，母船横倾10°收放工作艇时，工作艇与母船舷部突出构件之间仍有间隙，满足要求，详见图1。

2.4   母船和工作艇在三级海况下的动态运动幅值

根据母船吃水和吊艇架布置情况，吊艇架摆到舷外最大位置时吊点距离水面约8 m、吊艇架吊钩装置顶部距水面约2 m、收放作业时钢丝绳行程约6 m、绞车收放速度取10 m/min、收放时间约30 s。

建立母船、工作艇、吊艇架等的数值分析模型后，先进行静水力、规则波下波浪载荷及系统响应、频域条件下一阶波浪力和二阶平均漂力的计算;再进行耦合运动分析，仿真在不规则波下船体的实时运动;采用ANSYS AQWA软件对母船三级海况上限（有义波高1.25 m、风速10.7 m/s、流速1.03 m/s）时，180°、225°、270°几个典型浪向下单吊点及双吊点收放作业进行模拟计算，动态仿真计算时长取40 s（较收放时间适当放长）。

经分析计算结果，母船在三级海况收放工作艇作业状态下，横摇角均小于5°、纵摇角均小于2°;采用双吊点吊艇架收放工作艇时，工作艇的横摇、纵摇最大值比单吊点吊放方式分别减少30%～70%，并大幅度地减小了工作艇自身的运动幅度，详见图2、图3所示;同时，采用双吊点吊艇架，还较好地解决了工作艇在风浪中的首尾摆动问题。

采用双吊点吊艇架后，降低了工作艇的摆幅：收艇时摆幅减少45% ～78%;放艇时摆幅减少23% ～76%，详见图4所示。

根据仿真分析结果，三级海况下收、放工作艇具有较好的工作窗口，但在横浪状态下工作艇的摆幅较大，此外，海上风浪有不规则性，建议在使用时采用有利船位，即船首左舷顶浪，有利浪向角范围180°～ 225°之间;并尽可能利用摇摆较小的工作窗口，提高作业成功率。

综上所述，在设计海况为三级海况及以下时，采用双吊点吊艇架可以满足收放工作艇的作业条件。

3    设计方案

设计方案包括：工作艇、双吊点艇架及其布置、船甲板结构局部加强、吊艇架试验等方面。

3.1   工作艇

工作艇为双吊点起吊，在工作艇的上甲板中线面处装设首尾吊钩装置，首尾吊钩间距与双吊点艇架匹配，吊钩装置与艇体结构可靠连接并相应加强;吊钩装置可遥控脱钩与手动挂钩，具有带负载脱钩的能力，当艇浮于水面时或在紧急情况下能快速脱钩;在艇上的操艇部位设有可同时脱开首尾吊钩的脱钩手柄;该吊钩装置可与双点吊艇架上的首尾吊环实现快速挂钩和脱钩，实现艇的收放;工作艇吊钩装置处的空间需满足人员操作要求。

3.2   双吊点艇架

双吊点艇架主要技术性能参数如下：

（1）安全工作负荷（SWL）大于工作艇的满载重量，并考虑适当裕度;

（2）绞车下放/提升速度一般为10 m/min;

（3）母船允許最大工作倾角为：横倾10°;纵倾5°;

（4）收放作业海况为三级海况及以下;

（5）配备电动液压泵站为臂架液压油缸提供动力，并视情考虑备份;

（6）配备电动起艇绞车控制艇的起升和下降。电动绞车主要由电动机（带制动器）、减速箱、卷筒、限速器等组成;

（7）母船需为吊艇架提供一路电源，其容量满足液压泵站及电动绞车的要求。

3.3   双吊点艇架布置

（1）双吊点艇架装设在首楼甲板右舷FR38～FR50肋位处，距中约3.9 m到舷边的甲板区域;

（2）艇架电动液压泵站、电动起艇绞车装设于艇架近处合适位置，操纵台设于右舷舷边处以便于观察和操控;

（3）装设艇架后的通道需满足人员通行要求，且装设艇架后不影响周边其他设备;

（4）按母船处于轻载水线计，艇架吊钩行程约6m。

3.4   船体甲板结构局部加强

在双吊点艇架、绞车等对应位置，甲板下结构应作局部加强。

4    试验验证

母船装设双吊点艇架后，按要求进行吊艇架系泊和航行试验，再进行三级海况收放效用试验。经实船试验验证，相关试验数据与理论分析结果比较接近，满足规定的要求;与单吊点艇架收放工作艇对比，收放作业时工作艇自身的运动幅度、摆幅明显改善，达到预期效果。

5    注意事项

在三级及以上海况下进行工作艇收放作业，需考虑较高海况条件下工作艇收放作业的风险，设计前充分了解作业工况条件;设计时还应结合母船的具体情况，对人员上下工作艇的位置空间、工作艇的存放绑扎固定、母船舷边的导缆拉缆羊角等辅助设施作出合理可行的方案，并要求用户选择较有利的作业时间窗口，平时加强训练人员与工作艇的操作配合训练，确保实际作业时按流程操作、安全收放。

6    结束语

针对目标用户在相关海域的工作艇收放作业需求，综合考虑船与工作艇、人与工作艇等动态条件下的相互作用，通过对三级海况下双吊点吊艇架与单吊点吊艇架收放工作艇的运动响应进行仿真分（下转第页）（上接第页）

析，并提出可满足实船操作的吊艇架选型设计方案。在此过程中，把法规关注的船舶状态和作业人员关注的海况动态条件下的作业能力协调统一，这种解决思路和方法，可为现阶段无衡准而又有实际需求的类似项目提供有益参考。

参考文献

[1]船舶设计实用手册（第3版）舾装分册[M]. 北京：国防工业出版社，           2013.

[2]国际救生设备规则（LSA code）[S].

[3] GJB4000-2000舰船通用规范[S].