35m高速公務(wù)船機(jī)艙可拆蓋設(shè)計(jì)

鄧建通 盧龍文

摘 ? ?要：船舶機(jī)艙上方通常會(huì)設(shè)置用于主輔機(jī)進(jìn)出艙的可拆蓋，以便于主輔機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)。本文以某35m高速公務(wù)船為例，介紹一種機(jī)艙可拆蓋的設(shè)計(jì)，主要包括結(jié)構(gòu)形式、材料選取、構(gòu)件尺寸及強(qiáng)度分析等方面。該可拆蓋的設(shè)計(jì)方法，可為相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：可拆蓋;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);強(qiáng)度分析;高速公務(wù)船

中圖分類號(hào)：U667.2 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The removable cover above the engine room is usually arranged for main and auxiliary engines to enter and leave the engine room for the maintenance of main and auxiliary engines in the future. This paper introduces the design process of the removable cover above engine room in a high-speed official ship， including structural form design， material selection， size selection of structural components and strength analysis.

Key words： Removable cover; Structural design; Strength analysis; High-speed official ship

1 ? ? 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)于高速公務(wù)船的需求越來(lái)越大，尤其是中小型公務(wù)執(zhí)法船。在船舶的使用壽命周期內(nèi)，主機(jī)及輔機(jī)一般都會(huì)經(jīng)歷小修、中修甚至需出艙進(jìn)行大修。如果主輔機(jī)需要出艙進(jìn)行維修時(shí)，就需要在主輔機(jī)上方甲板進(jìn)行開(kāi)口的切割處理，這對(duì)周邊的結(jié)構(gòu)會(huì)形成一定的破壞，還會(huì)延長(zhǎng)船舶的建造周期。

另外，在建造過(guò)程中如果出現(xiàn)主輔機(jī)等大型設(shè)備推遲到貨的情況，那就需要在船體上預(yù)留吊裝主輔機(jī)的開(kāi)口位置，等主輔機(jī)進(jìn)艙安裝后再進(jìn)行開(kāi)口位置的船體結(jié)構(gòu)焊接，過(guò)程非常麻煩，且不利于建造質(zhì)量的控制。

因此，為了便于船舶建造時(shí)的主輔機(jī)進(jìn)艙及日后的維護(hù)保養(yǎng)工作，一般可在主輔機(jī)艙上方設(shè)置用于主輔機(jī)進(jìn)出艙的可拆蓋，尤其是對(duì)于中小型高速公務(wù)船。本文根據(jù)某35 m高速公務(wù)船的具體使用情況，設(shè)計(jì)出一種機(jī)艙可拆蓋。

2 ? ?船舶概況

該船航行于沿海區(qū)域，船長(zhǎng)為35 m、型寬7 m、型深3.7 m;主船體為鋼質(zhì)縱骨架式全焊接結(jié)構(gòu);甲板室采用鋁合金結(jié)構(gòu)，其中鋁合金板材的材料為5083-H116/H321、型材的材料為6082-T6;結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范（2015）》（下文簡(jiǎn)稱“海高規(guī)（2015）”）進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)本船的設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求，需在機(jī)艙露天甲板上方設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)約4.4 m、寬約3.0 m的可拆蓋，以便于機(jī)艙大型設(shè)備的日后維護(hù)保養(yǎng)工作。由于此可拆蓋作為露天甲板的一部分，在保證可拆蓋的強(qiáng)度及密性外，還需滿足美觀性及實(shí)用性的要求。因此，此可拆蓋需自行根據(jù)尺寸及實(shí)際使用情況進(jìn)行設(shè)計(jì)建造。

3 ? ?可拆蓋的結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)使用功能不同，船用蓋子的類型分為進(jìn)出貨的艙口蓋和進(jìn)出人的人孔蓋等。

目前常用艙口蓋的類型有以下幾種：

（1）應(yīng)用于集裝箱船的吊離式艙口蓋;

（2）應(yīng)用于散貨船的側(cè)移式艙口蓋;

（3）應(yīng)用于雜貨船的折疊式艙口蓋;

（4）普通船的小型鉸鏈?zhǔn)脚摽谏w等。.

船用人孔蓋的形式，主要有：帶圍板式人孔蓋;平置式人孔蓋;埋入式人孔蓋;鉸鏈?zhǔn)饺丝咨w等。

由于本船可拆蓋與上述蓋子的類型有較大區(qū)別，不能完全照搬上述某一型蓋子的結(jié)構(gòu)形式，需綜合考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本船的機(jī)艙可拆蓋是設(shè)在露天強(qiáng)力甲板上，其上方不需要作為貨物堆放的場(chǎng)所，而只作為通行使用。為了便于人員通行及更好地利用此處上方的空間，不宜選用帶圍板式蓋子，推薦使用可吊離埋入式蓋子，蓋子鎖緊裝置采用緊固螺栓的方式。為此，設(shè)計(jì)了兩種不同的埋入式節(jié)點(diǎn)連接形式：方案一及方案二，如圖1 a）及圖1 b）所示。

兩種方案連接節(jié)點(diǎn)形式的主要優(yōu)缺點(diǎn)比較，如表1所示：

并根據(jù)船東及船廠的意見(jiàn)，本船采用了方案一的連接節(jié)點(diǎn)形式。為了使可拆蓋能夠更好地與周邊船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效連接，可拆蓋的結(jié)構(gòu)采用單殼形式，其結(jié)構(gòu)形式及骨材的布置與周邊主船體結(jié)構(gòu)一致，并在與可拆蓋連接處的主船體結(jié)構(gòu)做了局部加強(qiáng)，確?？刹鹕w邊界處具有足夠的結(jié)構(gòu)剛度?？刹鹕w結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖2所示。

4 ? ? 可拆蓋的結(jié)構(gòu)材料

本船的主船體為鋼質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)，設(shè)置于機(jī)艙上方的可拆蓋作為主船體的重要組成部分，其使用的結(jié)構(gòu)材料一般應(yīng)與主船體的結(jié)構(gòu)材料相同。由于本船對(duì)航速的要求較高，而本船的儲(chǔ)備航速非常小，因此嚴(yán)格控制本船的船體結(jié)構(gòu)重量是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重中之重，任何有利于降低船體結(jié)構(gòu)重量的設(shè)計(jì)都應(yīng)有效采用。為此，如果此機(jī)艙可拆蓋的結(jié)構(gòu)材料選用船用鋁合金，通過(guò)計(jì)算分析，其結(jié)構(gòu)材料的重量約為鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的三分之二左右，非常有利于本船的總體結(jié)構(gòu)重量控制。因此，本船機(jī)艙可拆蓋的結(jié)構(gòu)材料選取了較為輕質(zhì)的船用鋁合金，其板材牌號(hào)為5083-H116/H321、型材牌號(hào)為6082-T6。

5 ? ? 可拆蓋的結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸

通常來(lái)說(shuō)，可拆蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸可選取與原有甲板結(jié)構(gòu)構(gòu)件一致，但由于本船可拆蓋使用的結(jié)構(gòu)材料與原有甲板結(jié)構(gòu)的材料不一致，原有甲板結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)材料為船用A級(jí)鋼，因此可拆蓋蓋板的厚度、主要骨材的尺寸不能直接按照原有甲板結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸進(jìn)行選取，其構(gòu)件尺寸可參照《海高規(guī)》對(duì)于鋁合金甲板結(jié)構(gòu)的要求進(jìn)行確定。通過(guò)規(guī)范計(jì)算，可拆蓋的蓋板厚度選取為5 mm、次要骨材為5號(hào)球扁鋁、主要骨材為T(mén)5x130/8x80。同時(shí)，因其邊界支承情況與規(guī)范不一致，故還應(yīng)通過(guò)有限元計(jì)算分析進(jìn)行校核。

6 ? ?可拆蓋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

雖然通過(guò)上述規(guī)范初步選取了可拆蓋的結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，但其整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還需通過(guò)有限元仿真校核計(jì)算，確保其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足要求。關(guān)于艙口蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的直接計(jì)算，目前《海高規(guī)（2015）》并沒(méi)有做出相應(yīng)的規(guī)定，雖然《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范（2018）》里的第2篇第2章第20節(jié)有關(guān)于艙口蓋的相關(guān)計(jì)算規(guī)定，但規(guī)范里的計(jì)算方法并不適用于此種類型的艙口蓋。根據(jù)可拆蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以參照《海高規(guī)（2015）》附錄2第5節(jié)的規(guī)定對(duì)可拆蓋進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析計(jì)算。本文使用大型商用有限元計(jì)算分析軟件MSC.Patran/Nastran對(duì)本船可拆蓋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析及安全性校核，其計(jì)算過(guò)程如下文。

6.1 ? 有限元模型

見(jiàn)圖3、圖4。

（1）模型范圍及坐標(biāo)系

模型以整個(gè)蓋子為計(jì)算目標(biāo)，其坐標(biāo)系采用笛卡爾右手直角坐標(biāo)系：x軸的正方向?yàn)楸敬卮椎姆较?y軸的正方向?yàn)楸敬拇瑢捬刈笙系姆较?z軸的正方向?yàn)楸敬匦蜕钕蛏系姆较颉?/p>

（2）單元的類型及網(wǎng)格尺寸

模型中采用板單元和梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件：結(jié)構(gòu)板材和主要支撐構(gòu)件的腹板采用板單元;主要支撐構(gòu)件的面板和縱骨采用梁?jiǎn)卧⒖紤]各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際截面和偏心;采用基準(zhǔn)為50 mmx50 mm的網(wǎng)格尺寸對(duì)有限元結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行劃分，計(jì)算模型中總共有7014個(gè)節(jié)點(diǎn)、6 920個(gè)板單元、1 450個(gè)梁?jiǎn)卧?/p>

（3）邊界條件

模型在蓋子螺栓固定處采用簡(jiǎn)支約束的邊界條件，即約束模型中的x、y、z三個(gè)位移分量。

（4）材料屬性及力學(xué)參數(shù)

可拆蓋的結(jié)構(gòu)材料為耐海水腐蝕的船用鋁合金，其板材的牌號(hào)為5083-H116/H321、型材的牌號(hào)為6082-T6;鋁合金的彈性模量為69 000 MPa、泊松比為0.33;板材母材的屈服強(qiáng)度和焊后的屈服強(qiáng)度分別為215 MPa、125 MPa，型材母材的屈服強(qiáng)度和焊后的屈服強(qiáng)度分別為250 Mpa、115 MPa。

（5）載荷及加載

可拆蓋上方不用作承載貨物的場(chǎng)所，其施加的載荷只需考慮此處露天的甲板壓力，甲板壓力值可根據(jù)《海高規(guī)》的規(guī)定計(jì)算。計(jì)算所得壓力值為0.01434 MPa，甲板壓力通過(guò)面壓力施加在可拆蓋的上方。

6.2 ? 許用應(yīng)力及計(jì)算結(jié)果

（1）許用應(yīng)力

根據(jù)《海高規(guī)（2015）》附錄2中第5.5節(jié)關(guān)于局部強(qiáng)度衡準(zhǔn)的規(guī)定，通過(guò)計(jì)算可得出鋁合金結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的許用應(yīng)力值為：板單元的許用等效應(yīng)力[σe]=100 MPa;板單元的許用剪切力[τ] =55 MPa;梁?jiǎn)卧脑S用正應(yīng)力[σ] =88.6 MPa。

（2）計(jì)算結(jié)果

① 根據(jù)應(yīng)力云圖（圖5），板單元的等效應(yīng)力為87.8 MPa;

② 根據(jù)應(yīng)力云圖（圖6），板單元的剪切應(yīng)力值為47.6 MPa;

③ 根據(jù)應(yīng)力云圖（圖7），梁?jiǎn)卧淖畲髴?yīng)力值為52.4 MPa;

④ 根據(jù)應(yīng)力云圖（圖8），梁?jiǎn)卧钚〉膽?yīng)力值為-76.2 MPa。

從上述計(jì)算結(jié)果可知，其應(yīng)力水平均小于規(guī)范許用值，滿足規(guī)范要求。

7 ? ?小結(jié)

本文介紹了某35 m高速公務(wù)船機(jī)艙可拆蓋的設(shè)計(jì)方法，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求;對(duì)于高速公務(wù)船可拆蓋的設(shè)計(jì)，可選擇輕質(zhì)的船用鋁合金結(jié)構(gòu)材料;本船可拆蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，可為相類似的項(xiàng)目提供一定的參考。

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