客滚船滑移式艏门设计关键点分析
2022-01-27李宝功殷星杰赵彤晖
赵 勇， 李宝功， 殷星杰， 赵彤晖
(招商局邮轮研究院(上海)有限公司， 上海 200137)
0 引 言
滑移式艏门为客滚船中重要且复杂的滚装设备，通常布置于舱壁甲板与系泊甲板之间的艏部外飘区域。为保证主甲板上的重型车辆能顺利卸载，艏门在开敞时需具有足够的宽度和高度，但舱壁甲板与系泊甲板之间的空间非常有限，能布置的艏门支撑结构较少，从而形成了艏门受力很大与周围支撑结构薄弱的矛盾。有关资料显示，航运史上曾发生多起船舶航行中艏门受损甚至掉入深海的事故，艏门的设计和安装应用已引起业界的高度关注，对艏门的设计提出了特别的要求。
除了艏门之外，还有一些其他类型的特殊结构，如某些豪华邮船上布置于艏部的Dome结构等，其设计与艏门设计有非常类似的特点。
基于上述原因，结合在某系列客滚船项目中积累的经验，对最复杂的滑移式艏门的设计和计算过程中需特别注意的关键点进行深入分析，以期为类似问题的有效解决提供借鉴。另外，由于艏门设计中协调方众多，技术管理的难度比常规的结构设计大很多，对技术管理流程进行一些分析和总结。
1 艏门介绍
1.1 艏门类型
艏门主要分为上开式艏门和侧开式艏门2种。
1.1.1 上开式艏门
此类艏门(见图1)通过一组布置在露天甲板上的铰链与主船体连接，门的开启主要通过铰链与液压装置向上翻起实现。在艏门关闭状态下，艏部冲击载荷主要由门周界的锁紧装置承受。
图1 上开式艏门实船图片
自船舶MV Estonia在航行过程中失去艏门并沉没之后，此类艏门几乎不再使用[1]。
1.1.2 侧开式艏门
侧开式艏门可分为带操纵臂型艏门和直接铰链连接型艏门2种。
1) 带操纵臂型艏门(见图2)主要由操纵臂及其两端的铰链实现门的开启和关闭。由于门的开启和关闭为沿着水平面向侧面滑移，又称其为滑移式艏门。此类型艏门可灵活地安装在各类型船上，但其设计和建造均非常复杂，成本较高，且在后期运营过程中系统部件损坏的风险较大，特别是操纵臂的端部。
图2 带操纵臂型(滑移式)艏门实船图片
2) 直接铰链连接型艏门主要通过铰链与船体连接，此类艏门设计简单，系统内各部件损坏的风险较低，但不适用于艏部外飘很大的船型，打开的艏门易接触水面。
客滚船为获得较高的航速，设计的艏部外飘通常都比较大，因此绝大多数有艏门的客滚船都采用滑移式艏门，此类艏门为本文主要研究对象。
1.2 滑移式艏门的系统构成
为详细地讨论滑移式艏门的设计关键点，需清晰地了解此类艏门的系统构成。此类艏门通常由外门结构、操纵臂及两端铰链、两门之间的插销/锁紧装置、门与周界结构之间的插销/锁紧装置、支撑装置、止动装置、导向装置、密封条、破冰装置(适用于冰层较厚的冰区)、加热装置(适用于温度较低的区域)和门开启后的锁紧装置等结构组成(见图3)。
图3 滑移式艏门内部结构示意
2 艏门结构设计关键点分析
艏门设计通常由专业的滚装设备生产厂商基于国际船级社协会(International Association of Classificatin Societies，IACS)的统一要求UR S8[2]和厂商内部的设计标准完成；艏门周界结构的加强设计和计算由船舶结构设计方完成。针对艏门和周界加强结构的受力计算等在此不做详细阐述，下面主要分析设计过程中需重点考虑的关键点。
2.1 支撑结构设计冗余
艏门的支撑系统由插销/锁紧装置、支撑装置和止动装置构成。在船舶航行过程中，艏门受到的冲击载荷均由支撑结构和周围的加强结构承担。以某客滚船为例，根据挪威船级社(Det Norske Veritas,DNV)规范中关于艏部外飘区域抨击载荷的计算要求，艏门区域所受冲击载荷约为200 kPa，由于艏门的面积较大，而支撑系统设计的数量有限，导致某些位置的支撑结构的受力达到6 000 kN以上，甚至高达10 000 kN以上。另外，有关资料显示，在客滚船事故中，艏门破损引发的事故占比很高，其中因支撑结构发生破损导致的事故占比很大。艏门支撑装置的破损情况已汇总在锁紧机构和铰链2类统计值中(见图4)[3]。
图4 艏门事故中各部件破损情况统计值
为保证艏门的支撑系统有足够的冗余，在设计过程中需充分分析某些支撑结构失效之后其余支撑结构和加强结构的受力情况。对于此问题，IACS UR S8[2]给出了明确的要求：支撑装置的布置和强度应为冗余设计，以便在任何一个支撑装置失效的情况下，其余装置能承受反作用力，且应力水平不超过许用应力的120%。
此要求为保证艏门安全的最重要关键点，负责艏门设计和加强设计的各方需予以高度重视，严格落实规范中的冗余要求，甚至需考虑额外的设计余量，以确保设计的可靠性。
2.2 周界结构弹性支撑
艏门设计前期，由于周围的结构设计尚未完成，艏门设计人员通常会假定支撑结构位置的边界条件为刚固或简支，由此确定支撑位置的受力。但是，舱壁甲板与系泊甲板之间的空间有限，能布置的结构非常有限，导致艏门周界结构的刚度差别较大，特别是顶部区域的刚度最弱。因此，在对艏门的实际受力情况进行分析之前，需先计算支撑点周界各位置的刚度，再基于弹性连接的边界条件确定各支撑位置的受力。考虑弹性支撑边界条件之后的受力情况与仅考虑刚固或简支的边界条件计算得到的受力差异较大，在某客滚船项目中计算得到的不同边界条件下的艏门支撑点支反力对比见表1。艏门部分支撑点侧视图见图5。
需特别注意的是，为避免局部过载，需通过增加额外的支撑位置承受部分受力，图5中止动装置15为受力分析之后增加的承受y方向和z方向受力的支撑点。从表1中可看出，考虑弹性支撑边界条件并增加额外的支持点之后，艏门周界各位置的受力更加均匀，更易满足设计冗余的要求。
表1 某客滚船不同边界条件下的艏门支撑点支反力对比 单位：kN
图5 艏门部分支撑点侧视图
2.3 操纵臂结构设计
操纵臂为艏门操作过程中用到的最重要的机构，单侧艏门的重力由操纵臂和两端的铰链承受。单侧门的重量约为30 t，因此操纵臂通常设计为能承受较大力的箱型结构，这些力均通过铰链的耳板(见图6)和周围的结构或液压装置传递，不仅受力大，而且需充分考虑艏门开启和关闭引起的低周疲劳问题，同时需充分考虑艏门上方系泊甲板车辆装载引起的高周疲劳问题，以降低在耳板位置或拐角位置产生裂纹的风险。
图6 操纵臂示意图
另外，需基于3D模型模拟核查机构运行过程中操纵臂是否与周界结构存在干涉。
2.4 特殊工艺设计
艏门设计不仅计算比较复杂，而且需充分考虑后期建造工艺和关键节点监控工艺[4]。以下几个方面是建造过程中通常会遇到的棘手问题，若在设计阶段不能解决好，会严重影响后期的建造效率。
2.4.1 艏门和内部支撑构件与周界结构的间隙
为避免艏门和内部支撑构件在船舶航行过程中与周界结构发生碰撞，需严格控制艏门和内部支撑构件与周界结构的间隙，一方面需保证艏门结构和周界结构有足够的刚度，另一方面需对建造精度提出非常高的要求。为保证密封效果，艏门和内部支撑构件与周界结构之间的间隙越小越好，但从建造的角度看，二者之间需留有一定的间隙。综合艏门生产厂商的标准和船厂的建造要求，二者之间的间隙通常控制在3 mm左右。甚至有的厂商在设计时考虑艏门和内部支撑构件与周界结构之间的间隙为0 mm，对于如此复杂的结构，该建造精度无法满足，需与厂商协调修改设计方案。
2.4.2 外门结构的狭小空间
外门结构处于艏部外飘区域，内部布置有大量复杂的支撑系统等构件，造成外门结构中存在大量狭小空间，需在设计前期充分考虑构件上用于施工的开孔或特殊的焊接工艺。特别是构件上的开孔，与艏门的局部有限元分析有关，需在计算之前确定好，否则会导致计算返工。
2.4.3 密封条基础结构的线型
外门与周界结构之间设置有密封条，以保证风雨密，但因外飘区域的线型为双曲线，密封条基础结构的线型通常也为双曲线，这就造成基础结构设计和建造非常困难。为降低后期生产设计和建造的难度，在前期通过三维设计技术与艏门的设计人员充分讨论，将密封条的基础结构设计为单曲面形式[5]。
2.5 技术管理流程
艏门的设计和建造有多方参与，相互之间的关联性强，设计周期长，需考虑的因素众多，这些因素的存在造成技术管理的难度较大。合理地协调技术管理流程能大大提升设计效率，避免反复协调和计算。根据实船项目经验总结技术管理流程，具体见图7。
图7 艏门设计技术管理流程图
3 结 语
本文介绍了艏门的类型，重点分析和总结了滑移式艏门的设计关键点和技术管理流程，对类似的复杂附体结构与主船体结构的接口设计和技术管理流程有了清晰的认识。尽管如此，仍有多项复杂问题没有在文中提及，如直接计算波浪载荷在艏门设计中的应用、非对称抨击载荷对艏门支撑结构设计的影响、艏门操纵臂的扭曲受力和疲劳分析等，这些问题对艏门设计的可靠性和安全性有重要影响，有必要进一步深入研究。
