基于工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)恼砟驹O(shè)計(jì)與分析

張樂(lè)

摘 要：工程船通常采用半潛船干拖的方式進(jìn)行遠(yuǎn)洋運(yùn)輸，而工程船的重量可以達(dá)到萬(wàn)噸，甚至幾萬(wàn)噸級(jí)。利用枕木的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)改善遠(yuǎn)洋運(yùn)輸途中工程船自身結(jié)構(gòu)受力特性，以及工程船對(duì)半潛船甲板荷載的分布，使半潛船及工程船的結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度校核中滿足規(guī)范要求。本文將結(jié)合DNV和ABS船級(jí)社規(guī)范，使用規(guī)范的方法對(duì)工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)恼砟具M(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，并對(duì)枕木強(qiáng)度進(jìn)行校核。

關(guān)鍵詞：工程船;遠(yuǎn)洋運(yùn)輸;枕木設(shè)計(jì);強(qiáng)度校核

中圖分類號(hào)：U662? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）05-0075-03

枕木具有很好的力學(xué)性質(zhì)，尤其是順紋的硬木，其抗拉和抗壓強(qiáng)度均較高。

工程船通常采用半潛船干拖的方式進(jìn)行遠(yuǎn)洋運(yùn)輸，而工程船的重量可以達(dá)到萬(wàn)噸，甚至幾萬(wàn)噸級(jí)。受枕木力學(xué)特性的影響，工程船作用在枕木上方的載荷，可以比較均勻的傳遞到半潛船甲板上方。利用枕木的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)改善遠(yuǎn)洋運(yùn)輸途中工程船自身結(jié)構(gòu)受力特性，以及工程船對(duì)半潛船甲板荷載的分布，使半潛船及工程船的結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度校核中滿足規(guī)范要求。

本文旨在根據(jù)以往實(shí)際項(xiàng)目中的一些經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合DNV和ABS船級(jí)社的規(guī)范要求，就大型浮式工程船等重大件貨物遠(yuǎn)洋運(yùn)輸枕木的設(shè)計(jì)與分析方法，作基本介紹。

1 枕木設(shè)計(jì)的基本原則

應(yīng)用到工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)恼砟荆瑧?yīng)遵循以下方案設(shè)計(jì)的基本原則：

（1）使用豎紋硬木類型的枕木;

（2）枕木應(yīng)布置在半潛船甲板上方，同時(shí)確保所有枕木的設(shè)計(jì)位置在工程船強(qiáng)肋位的正下方;

（3）枕木應(yīng)使用鋼結(jié)構(gòu)作為固定單元，并將鋼結(jié)構(gòu)焊接至半潛船甲板上。這樣可以防止當(dāng)半潛船進(jìn)行下潛作業(yè)時(shí)，枕木與半潛船甲板分離而漂浮在海面上;

（4）參考工程船擺放在半潛船上的重心位置，將枕木布置在工程船底部的范圍較大的區(qū)域，同時(shí)盡量布置的均勻，即確保枕木質(zhì)心位置與工程船重心的水平位置偏差較小。這樣可以避免單側(cè)枕木受力過(guò)大而造成損壞的情況發(fā)生。

2枕木設(shè)計(jì)與分析步驟

2.1 枕木質(zhì)心及剖面模數(shù)計(jì)算

本節(jié)所提及的枕木質(zhì)心和剖面模數(shù)的計(jì)算，均是對(duì)枕木上表面的受壓面而言的。典型工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)恼砟静贾?，見圖1。

2.1.1枕木質(zhì)心

首先，以半潛船甲板中縱剖面船尾處為坐標(biāo)原點(diǎn)，定義平面坐標(biāo)系x10y1：x1軸正向由船尾指向船首，y1軸正向由船中指向左舷。分別計(jì)算各塊枕木投影到半潛船甲板上的面積，同時(shí)量取投影面積中心至x1、y1軸的距離。其中，在y1軸正向的距離取正值，在y1軸負(fù)向的距離取負(fù)值。

其次，計(jì)算所有枕木總的投影面積。同時(shí)，分別計(jì)算各塊枕木的投影面積對(duì)x1、y1軸的靜距，然后疊加求和，從而得到所有枕木對(duì)x1軸、y1軸總的靜距。枕木投影面積對(duì)x1、y1坐標(biāo)軸的靜距為[1]

Sx=∑（Ai×Yi）

Sy=∑（Ai×Xi ）

式中：

Ai ：枕木投影面積;

Yi ：枕木投影面積中心至x1軸的垂直距離（考慮正、負(fù)號(hào)）;

Xi? ：枕木投影面積中心至y1軸的垂直距離。

因此，所有枕木在半潛船甲板上投影的質(zhì)心在x10y1坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為[1]

式中：Asum為枕木受壓面積總和。

2.1.2枕木剖面模數(shù)

將坐標(biāo)系平移至上述求得的枕木質(zhì)心處，并更改坐標(biāo)系為X0Y，如圖1。

首先，量取各塊枕木投影面積中心至新坐標(biāo)系下X、Y軸的垂直距離，計(jì)算各塊枕木投影面積對(duì)X、Y軸的慣性矩;然后，將各個(gè)慣性矩疊加求和。枕木投影面積對(duì)X、Y軸的慣性矩，可使用如下公式求解[1]：

式中，

Ai：枕木投影面積;

bix：枕木與X軸平行方向的長(zhǎng)度;

hix：枕木與X軸垂直方向的寬度;

Yi：枕木投影面的中心至X軸的垂直距離;

biy：枕木與Y軸平行方向的長(zhǎng)度;

hiy：枕木與Y軸垂直方向的寬度;

Xi：枕木投影面的中心至Y軸的垂直距離。

當(dāng)枕木受到一定的彎矩載荷時(shí)，在距離枕木質(zhì)心的最遠(yuǎn)端位置，其枕木剖面模數(shù)最小，從而枕木所受到的壓力最大。枕木在彎矩載荷作用下的壓力分布，見圖2。

枕木最小剖面模數(shù)計(jì)算公式為

式中，

Ydist：枕木最遠(yuǎn)端至X軸的垂直距離;

Xdist：枕木最遠(yuǎn)端至Y軸的垂直距離。

對(duì)于自升式平臺(tái)等強(qiáng)肋位結(jié)構(gòu)傾斜的工程船而言，枕木長(zhǎng)度方向與工程船強(qiáng)肋位結(jié)構(gòu)同樣進(jìn)行平行布置。計(jì)算枕木質(zhì)心的方法與上述情況一致;而計(jì)算枕木對(duì)質(zhì)心的慣性矩時(shí)，需要先計(jì)算各塊枕木在自身局部坐標(biāo)系下的慣性矩，然后再使用轉(zhuǎn)軸公式計(jì)算各塊枕木在全局XOY坐標(biāo)系下的慣性矩。枕木局部坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系XOY的關(guān)系，見圖3。

圖中，β為局部坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系的夾角。

參考材料力學(xué)轉(zhuǎn)軸公式，枕木在局部坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系下的慣性矩關(guān)系式如下[1]：

式中：

Ix'：枕木對(duì)局部坐標(biāo)系軸的慣性矩;

Iy'：枕木對(duì)局部坐標(biāo)系軸的慣性矩;

Ix：枕木對(duì)全局坐標(biāo)系X軸的慣性矩;

Iy：枕木對(duì)全部坐標(biāo)系Y軸的慣性矩。

2.2 枕木靜壓力及偏心壓力計(jì)算

當(dāng)半潛船處于完全靜止?fàn)顟B(tài)的海水中時(shí)，在工程船自身重量的作用下，枕木會(huì)受到壓力的作用。此時(shí)，枕木所受到的壓力為靜壓力，其計(jì)算公式為：