半潜式游艇运输船艉门紧固装置反力分析

温 鑫

（中集来福士海洋工程有限公司，山东烟台 264670）

0 引 言

某些船舶为满足功能需求，会在艉部设置可开闭式艉门，形成一个人员与物流通道，实现人员、物资等快速上船和下船。艉门开闭有上翻、侧开和下翻等多种形式，其中下翻式艉门因在开启状态下可用作船舶与岸基（或登陆点）之间的连接桥或下水滑道，且具有快速运送人员、装卸物资和收放小艇等优点，在船上的应用极为广泛。如何保证艉门的结构安全性是在设计艉门时需考虑的关键问题之一。在进行艉门及船体结构强度校核时，输入载荷数据必不可少，这就涉及支反力计算，对于连接艉门与船体结构的紧固装置处的支反力，常规的解法有力法和位移法等，形式繁琐，计算过程复杂，不适于解决复杂的工程问题。本文以某半潜式游艇运输船为例，对其艉门紧固装置的有限元模拟、航行工况中紧固装置的支反力计算和规范要求的冗余设计等进行分析。

1 船舶的整体功能特点和主尺度

1.1 整体功能特点

本文所述目标船为半潜游艇运输船，可装卸的货物为游艇、内河游船、拖船、工作艇、其他小艇或浮体和其他甲板货物等。该船的货舱采用敞口设计，货物甲板高度为5.9 m。

该船设计有舷侧和艉门结构，用于保护货物甲板上的货品在运输过程中不受风浪的侵蚀和破坏。艉门的宽度为40 m，高度为8.3 m，类似于滚装船的跳板，靠液压缸开启和关闭。艉门开启和关闭示意图见图1。

图1 艉门开启和关闭示意图

该船干舷甲板的高度为13.5 m，艉门在船舶航行过程中保持水密关闭状态。该船最大半潜深度为13.5 m，在限定海况下进行半潜操作。在半潜状态下，货物依靠自身动力或通过牵引进入运输船中，此时艉门处于开启状态；待货物上船之后，运输船上浮，艉门关闭，固定货物之后开启航程。

1.2 主尺度

该半潜游艇运输船的主尺度见表1。本文中描述的坐标系方向为船体的纵向；方向为船体的横向；方向为船体的垂向。

表1 半潜游艇运输船主尺度

2 艉门的功能特点与紧固装置的限位功能

2.1 艉门的功能特点

该船采用下翻式艉门，其功能特点如下：

1）艉封板处安装有1 扇水密艉门；

2）艉门底部与船体结构在全宽范围内铰链连接；

3）艉门在船舶航行期间保持水密关闭状态；

4）当艉门处于打开状态时，在整个船体横向方向和货物甲板以上从外侧到货舱区提供无障碍通道。

2.2 艉门与船体各紧固装置的限位功能

1）主铰链：位于艉门底部最外侧的铰链，左右舷各1 个，轴直径为200 mm，见图2。

图2 主铰链示意图

2）副铰链：艉门底部除了主铰链之外的铰链，左右舷共15 个，轴直径为150 mm，见图3。艉门与船体艉封板结构在主铰链和副铰链处通过销轴连接，可绕轴转动，方向线位移与方向线位移关联。

图3 副铰链示意图

3）舷侧拉紧销：艉门关闭时通过舷侧拉紧销使其与船体贴合，限制艉门方向位移，左右舷各3 个，见图4。

图4 舷侧拉紧销示意图

4）顶部限位销：艉门关闭时通过顶部限位销与艉门连接，限制艉门方向位移，左右舷各1 个，见图5。

图5 顶部限位销示意图

其他协助艉门开启和关闭的系统或装置不在船舶航行过程中起作用，不在本文研究范围内。

各紧固装置的位置见图6，其中：主铰链标号为左舷-8，右舷8；副铰链标号从左舷至右舷依次为-7 ～7。

图6 紧固装置的位置

3 载荷及工况

该船入级英国劳氏船级社。反力计算的工况包含艉门规范计算和全船有限元计算2 部分。最大反力值是通过全船有限元计算得到的，艉门规范计算是由艉门厂家完成的，本文不作介绍。全船有限元计算工况由静水工况和波浪工况组成。

3.1 静水工况

根据该船的初步装载手册，选择3 种典型装载工况进行计算。

1）LC01：压载出港，最大静水弯矩。

2）LC03：满载出港，最大吃水。

3）LC17：单侧装载800 t货物出港，对应最大静水扭矩。

3.2 波浪工况

根据英国劳氏船级社规范的要求，若尺度比满足≤5 或≥2.5，则波浪载荷需通过直接计算来特殊考虑。

该船的尺度比=4.5，=3.3，因此波浪载荷采用直接计算的方法得到。该船航区设计为无限航区，选取北大西洋波浪散布图进行长期预报，波浪谱选用P-M谱。超越概率取为10，该数值大致对应于20 a一遇波浪的设计值。浪向在0° ～180°范围内，步长为30°，共7 个浪向，其中0°为迎浪方向。采用等效设计波法定义作用在有限元模型上的波浪压力。全船有限元计算包含4 种典型的设计工况。

1）迎浪工况，垂向中拱波浪弯矩和垂向中垂波浪弯矩分别达到最大值，浪向角为0°。

2）斜浪工况，0.4（距离艉垂线，下同）处波浪扭矩最大，浪向角为120°，将1 个波浪周期分为20 个步长，每一步计算1 个工况。

3）横浪工况，横摇角最大，浪向角为90°，将1 个波浪周期分为20 个步长，每一步计算1 个工况。

4）横浪工况，水线面处动压力达到最大，有3 种设计波：

（1）0.25处水线面位置动压力达到最大，浪向角为90°，将1 个波浪周期分为20 个步长，每一步计算1个工况；

（2）0. 50处水线面位置动压力达到最大，浪向角为90°，将1 个波浪周期分为20 个步长，每一步计算1个工况；

（3）0.75处水线面位置动压力达到最大，浪向角为90°，将1 个波浪周期分为20 个步长，每一步计算1个工况。

与3.1 节中的3 种典型装载工况组合，共需计算的工况数量为306 个。

3.3 工况编号

为便于描述，对全船计算工况进行编号，根据3.2 节中1）～4）的顺序依次编为1 ～102，即全船计算工况为LC01_1 ～LC01_102、LC03_1 ～LC03_102、LC17_1 ～LC17_102，其中迎浪工况中拱为1，中垂为2。

4 有限元模型

计算采用整船结构强度评估的全船有限元模型完成，艉门结构模型按设备商提供的图纸构建，全船有限元模型见图7。采用惯性释放法处理边界约束。为得到艉门与船体连接处的反力值，需在有限元模型中对紧固装置进行模拟，艉门与船体连接处主要表现为拉压关系，且不同紧固装置处存在不同大小的间隙，以便安装配合。根据实际载荷传递的特点，采用多点约束（Multi-Point Constraints，MPC）模拟艉门与船体之间的连接关系。主铰链与副铰链处配合间隙为1 mm（认为无间隙）；舷侧拉紧销处配合间隙方向为0，方向为28 mm；顶部限位销处配合间隙方向和方向均为10 mm。MPC采用rbe2 类型，即刚性连接，从节点位移与主节点保持一致。艉门与船体在各紧固装置处的自由度关联见表2。对于艉门与船体在舷侧拉紧销和顶部限位销处方向存在一定间隙，初步计算时不做关联，根据计算结果的相对变形值进行判断处理。

图7 全船有限元模型

表2 艉门与船体在各紧固装置处的自由度关联

5 计算结果

5.1 变形示意图

典型工况整船和艉门变形示意图见图8。

图8 典型工况整船和艉门变形示意图

5.2 铰链处z方向反力

由于计算工况较多，只列出LC03_1 的计算结果，铰链处方向和方向反力见表3。

表3 铰链x方向和z方向反力

5.3 舷侧拉紧销x方向反力和顶部限位销y方向反力

舷侧拉紧销取三者中的大者，舷侧拉紧销方向反力和顶部限位销方向反力见表4，反力最大工况为LC03_1。

表4 舷侧拉紧销x方向反力和顶部限位销y方向反力

5.4 铰链z向反力修正

上述紧固装置方向反力是基于舷侧拉紧销和顶部限位销处艉门与船体间方向的相对位移不超过设置的间隙值获得的，因此需读取相应的变形值判断舷侧拉紧销和顶部限位销上是否应存在方向反力。根据计算结果读取舷侧拉紧销处艉门与船体最大方向相对位移值为14.9 mm，顶部限位销处最大方向相对位移值为14.1 mm，因此认为舷侧拉紧销不承受方向力。顶部限位销在相对位移超出10 mm 的工况（LC01_1、LC01_2、LC03_1、LC03_2、LC17_1 和LC17_2）中承受方向力，采用在顶部限位销处施加成对的内力（分别施加在艉门和船体两侧）的方式控制位移，使得艉门与船体方向相对位移刚好为10 mm，最后得出修正之后的铰链方向反力见表5。此时顶部限位销方向反力见表6。

表5 修正之后的铰链z方向反力

表6 顶部限位销z方向反力

从表6 中可看出，由于实际相对位移超出了设置的10 mm 间隙，顶部限位销会承担一部分方向反力，最初得到的主铰链处方向反力值偏大。

6 冗余设计的反力

根据劳氏船级社规范的要求，固定装置和支撑装置的布置应具有冗余设计性，以便在任意单个固定装置或支撑装置失效时，剩余装置能承受反力的作用，但不超过正常设计时许用应力的20%。本文所述船舶的铰链共计17 个，舷侧拉紧销6 个，顶部限位销2 个，理论上每个工况、每个装置失效都需计算，需计算的工况共计7 650 个，工作量庞大，对其进行判断筛选十分必要。

失效装置通过计算对要计算反力的装置影响最大、反力值最大的工况确定，例如要得到主铰链的方向反力，实际顶部限位销、副铰链与其同时承担，但经计算比较得出顶部限位销产生的影响更大，因此要得到主铰链的方向最大反力，需选择顶部限位销失效，同理得到其他装置冗余设计下的反力。紧固装置冗余设计的反力见表7。

表7 紧固装置冗余设计的反力

7 结 语

通过对某半潜式游艇运输船艉门和船体紧固装置的反力进行分析，得到的支反力为艉门或船体位置的结构加强提供了重要的数据输入。冗余计算既是规范的要求，也是设计者为保证工程安全性而对此类紧固装置做的设计评估工作。本文介绍的方法和所得结论已得到设备商、船东和船级社的认可，目前该船已投入运营，运行状况良好，可供同类型运输船设计参考。由于可供参考的此类问题较少，本文基于理论计算分析得到的结果还需通过实船运营和更多类似的工程项目检验。