客滾船滑移式艏門設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)分析

趙 勇， 李寶功， 殷星杰， 趙彤暉

(招商局郵輪研究院(上海)有限公司， 上海 200137)

0 引 言

滑移式艏門為客滾船中重要且復(fù)雜的滾裝設(shè)備，通常布置于艙壁甲板與系泊甲板之間的艏部外飄區(qū)域。為保證主甲板上的重型車輛能順利卸載，艏門在開敞時(shí)需具有足夠的寬度和高度，但艙壁甲板與系泊甲板之間的空間非常有限，能布置的艏門支撐結(jié)構(gòu)較少，從而形成了艏門受力很大與周圍支撐結(jié)構(gòu)薄弱的矛盾。有關(guān)資料顯示，航運(yùn)史上曾發(fā)生多起船舶航行中艏門受損甚至掉入深海的事故，艏門的設(shè)計(jì)和安裝應(yīng)用已引起業(yè)界的高度關(guān)注，對(duì)艏門的設(shè)計(jì)提出了特別的要求。

除了艏門之外，還有一些其他類型的特殊結(jié)構(gòu)，如某些豪華郵船上布置于艏部的Dome結(jié)構(gòu)等，其設(shè)計(jì)與艏門設(shè)計(jì)有非常類似的特點(diǎn)。

基于上述原因，結(jié)合在某系列客滾船項(xiàng)目中積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)最復(fù)雜的滑移式艏門的設(shè)計(jì)和計(jì)算過程中需特別注意的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行深入分析，以期為類似問題的有效解決提供借鑒。另外，由于艏門設(shè)計(jì)中協(xié)調(diào)方眾多，技術(shù)管理的難度比常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大很多，對(duì)技術(shù)管理流程進(jìn)行一些分析和總結(jié)。

1 艏門介紹

1.1 艏門類型

艏門主要分為上開式艏門和側(cè)開式艏門2種。

1.1.1 上開式艏門

此類艏門(見圖1)通過一組布置在露天甲板上的鉸鏈與主船體連接，門的開啟主要通過鉸鏈與液壓裝置向上翻起實(shí)現(xiàn)。在艏門關(guān)閉狀態(tài)下，艏部沖擊載荷主要由門周界的鎖緊裝置承受。

圖1 上開式艏門實(shí)船圖片

自船舶MV Estonia在航行過程中失去艏門并沉沒之后，此類艏門幾乎不再使用[1]。

1.1.2 側(cè)開式艏門

側(cè)開式艏門可分為帶操縱臂型艏門和直接鉸鏈連接型艏門2種。

1) 帶操縱臂型艏門(見圖2)主要由操縱臂及其兩端的鉸鏈實(shí)現(xiàn)門的開啟和關(guān)閉。由于門的開啟和關(guān)閉為沿著水平面向側(cè)面滑移，又稱其為滑移式艏門。此類型艏門可靈活地安裝在各類型船上，但其設(shè)計(jì)和建造均非常復(fù)雜，成本較高，且在后期運(yùn)營過程中系統(tǒng)部件損壞的風(fēng)險(xiǎn)較大，特別是操縱臂的端部。

圖2 帶操縱臂型(滑移式)艏門實(shí)船圖片

2) 直接鉸鏈連接型艏門主要通過鉸鏈與船體連接，此類艏門設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)內(nèi)各部件損壞的風(fēng)險(xiǎn)較低，但不適用于艏部外飄很大的船型，打開的艏門易接觸水面。

客滾船為獲得較高的航速，設(shè)計(jì)的艏部外飄通常都比較大，因此絕大多數(shù)有艏門的客滾船都采用滑移式艏門，此類艏門為本文主要研究對(duì)象。

1.2 滑移式艏門的系統(tǒng)構(gòu)成

為詳細(xì)地討論滑移式艏門的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)，需清晰地了解此類艏門的系統(tǒng)構(gòu)成。此類艏門通常由外門結(jié)構(gòu)、操縱臂及兩端鉸鏈、兩門之間的插銷/鎖緊裝置、門與周界結(jié)構(gòu)之間的插銷/鎖緊裝置、支撐裝置、止動(dòng)裝置、導(dǎo)向裝置、密封條、破冰裝置(適用于冰層較厚的冰區(qū))、加熱裝置(適用于溫度較低的區(qū)域)和門開啟后的鎖緊裝置等結(jié)構(gòu)組成(見圖3)。

圖3 滑移式艏門內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

2 艏門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)分析

艏門設(shè)計(jì)通常由專業(yè)的滾裝設(shè)備生產(chǎn)廠商基于國際船級(jí)社協(xié)會(huì)(International Association of Classificatin Societies，IACS)的統(tǒng)一要求UR S8[2]和廠商內(nèi)部的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)完成；艏門周界結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)設(shè)計(jì)和計(jì)算由船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方完成。針對(duì)艏門和周界加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算等在此不做詳細(xì)闡述，下面主要分析設(shè)計(jì)過程中需重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.1 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)冗余

艏門的支撐系統(tǒng)由插銷/鎖緊裝置、支撐裝置和止動(dòng)裝置構(gòu)成。在船舶航行過程中，艏門受到的沖擊載荷均由支撐結(jié)構(gòu)和周圍的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)承擔(dān)。以某客滾船為例，根據(jù)挪威船級(jí)社(Det Norske Veritas,DNV)規(guī)范中關(guān)于艏部外飄區(qū)域抨擊載荷的計(jì)算要求，艏門區(qū)域所受沖擊載荷約為200 kPa，由于艏門的面積較大，而支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)量有限，導(dǎo)致某些位置的支撐結(jié)構(gòu)的受力達(dá)到6 000 kN以上，甚至高達(dá)10 000 kN以上。另外，有關(guān)資料顯示，在客滾船事故中，艏門破損引發(fā)的事故占比很高，其中因支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生破損導(dǎo)致的事故占比很大。艏門支撐裝置的破損情況已匯總在鎖緊機(jī)構(gòu)和鉸鏈2類統(tǒng)計(jì)值中(見圖4)[3]。

圖4 艏門事故中各部件破損情況統(tǒng)計(jì)值

為保證艏門的支撐系統(tǒng)有足夠的冗余，在設(shè)計(jì)過程中需充分分析某些支撐結(jié)構(gòu)失效之后其余支撐結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的受力情況。對(duì)于此問題，IACS UR S8[2]給出了明確的要求：支撐裝置的布置和強(qiáng)度應(yīng)為冗余設(shè)計(jì)，以便在任何一個(gè)支撐裝置失效的情況下，其余裝置能承受反作用力，且應(yīng)力水平不超過許用應(yīng)力的120%。

此要求為保證艏門安全的最重要關(guān)鍵點(diǎn)，負(fù)責(zé)艏門設(shè)計(jì)和加強(qiáng)設(shè)計(jì)的各方需予以高度重視，嚴(yán)格落實(shí)規(guī)范中的冗余要求，甚至需考慮額外的設(shè)計(jì)余量，以確保設(shè)計(jì)的可靠性。

2.2 周界結(jié)構(gòu)彈性支撐

艏門設(shè)計(jì)前期，由于周圍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚未完成，艏門設(shè)計(jì)人員通常會(huì)假定支撐結(jié)構(gòu)位置的邊界條件為剛固或簡(jiǎn)支，由此確定支撐位置的受力。但是，艙壁甲板與系泊甲板之間的空間有限，能布置的結(jié)構(gòu)非常有限，導(dǎo)致艏門周界結(jié)構(gòu)的剛度差別較大，特別是頂部區(qū)域的剛度最弱。因此，在對(duì)艏門的實(shí)際受力情況進(jìn)行分析之前，需先計(jì)算支撐點(diǎn)周界各位置的剛度，再基于彈性連接的邊界條件確定各支撐位置的受力?？紤]彈性支撐邊界條件之后的受力情況與僅考慮剛固或簡(jiǎn)支的邊界條件計(jì)算得到的受力差異較大，在某客滾船項(xiàng)目中計(jì)算得到的不同邊界條件下的艏門支撐點(diǎn)支反力對(duì)比見表1。艏門部分支撐點(diǎn)側(cè)視圖見圖5。

需特別注意的是，為避免局部過載，需通過增加額外的支撐位置承受部分受力，圖5中止動(dòng)裝置15為受力分析之后增加的承受y方向和z方向受力的支撐點(diǎn)。從表1中可看出，考慮彈性支撐邊界條件并增加額外的支持點(diǎn)之后，艏門周界各位置的受力更加均勻，更易滿足設(shè)計(jì)冗余的要求。

表1 某客滾船不同邊界條件下的艏門支撐點(diǎn)支反力對(duì)比 單位：kN

圖5 艏門部分支撐點(diǎn)側(cè)視圖

2.3 操縱臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

操縱臂為艏門操作過程中用到的最重要的機(jī)構(gòu)，單側(cè)艏門的重力由操縱臂和兩端的鉸鏈承受。單側(cè)門的重量約為30 t，因此操縱臂通常設(shè)計(jì)為能承受較大力的箱型結(jié)構(gòu)，這些力均通過鉸鏈的耳板(見圖6)和周圍的結(jié)構(gòu)或液壓裝置傳遞，不僅受力大，而且需充分考慮艏門開啟和關(guān)閉引起的低周疲勞問題，同時(shí)需充分考慮艏門上方系泊甲板車輛裝載引起的高周疲勞問題，以降低在耳板位置或拐角位置產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 操縱臂示意圖

另外，需基于3D模型模擬核查機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中操縱臂是否與周界結(jié)構(gòu)存在干涉。

2.4 特殊工藝設(shè)計(jì)

艏門設(shè)計(jì)不僅計(jì)算比較復(fù)雜，而且需充分考慮后期建造工藝和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)監(jiān)控工藝[4]。以下幾個(gè)方面是建造過程中通常會(huì)遇到的棘手問題，若在設(shè)計(jì)階段不能解決好，會(huì)嚴(yán)重影響后期的建造效率。

2.4.1 艏門和內(nèi)部支撐構(gòu)件與周界結(jié)構(gòu)的間隙

為避免艏門和內(nèi)部支撐構(gòu)件在船舶航行過程中與周界結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，需嚴(yán)格控制艏門和內(nèi)部支撐構(gòu)件與周界結(jié)構(gòu)的間隙，一方面需保證艏門結(jié)構(gòu)和周界結(jié)構(gòu)有足夠的剛度，另一方面需對(duì)建造精度提出非常高的要求。為保證密封效果，艏門和內(nèi)部支撐構(gòu)件與周界結(jié)構(gòu)之間的間隙越小越好，但從建造的角度看，二者之間需留有一定的間隙。綜合艏門生產(chǎn)廠商的標(biāo)準(zhǔn)和船廠的建造要求，二者之間的間隙通?？刂圃? mm左右。甚至有的廠商在設(shè)計(jì)時(shí)考慮艏門和內(nèi)部支撐構(gòu)件與周界結(jié)構(gòu)之間的間隙為0 mm，對(duì)于如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，該建造精度無法滿足，需與廠商協(xié)調(diào)修改設(shè)計(jì)方案。

2.4.2 外門結(jié)構(gòu)的狹小空間

外門結(jié)構(gòu)處于艏部外飄區(qū)域，內(nèi)部布置有大量復(fù)雜的支撐系統(tǒng)等構(gòu)件，造成外門結(jié)構(gòu)中存在大量狹小空間，需在設(shè)計(jì)前期充分考慮構(gòu)件上用于施工的開孔或特殊的焊接工藝。特別是構(gòu)件上的開孔，與艏門的局部有限元分析有關(guān)，需在計(jì)算之前確定好，否則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算返工。

2.4.3 密封條基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的線型

外門與周界結(jié)構(gòu)之間設(shè)置有密封條，以保證風(fēng)雨密，但因外飄區(qū)域的線型為雙曲線，密封條基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的線型通常也為雙曲線，這就造成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造非常困難。為降低后期生產(chǎn)設(shè)計(jì)和建造的難度，在前期通過三維設(shè)計(jì)技術(shù)與艏門的設(shè)計(jì)人員充分討論，將密封條的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為單曲面形式[5]。

2.5 技術(shù)管理流程

艏門的設(shè)計(jì)和建造有多方參與，相互之間的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，需考慮的因素眾多，這些因素的存在造成技術(shù)管理的難度較大。合理地協(xié)調(diào)技術(shù)管理流程能大大提升設(shè)計(jì)效率，避免反復(fù)協(xié)調(diào)和計(jì)算。根據(jù)實(shí)船項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)總結(jié)技術(shù)管理流程，具體見圖7。

圖7 艏門設(shè)計(jì)技術(shù)管理流程圖

3 結(jié) 語

本文介紹了艏門的類型，重點(diǎn)分析和總結(jié)了滑移式艏門的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)和技術(shù)管理流程，對(duì)類似的復(fù)雜附體結(jié)構(gòu)與主船體結(jié)構(gòu)的接口設(shè)計(jì)和技術(shù)管理流程有了清晰的認(rèn)識(shí)。盡管如此，仍有多項(xiàng)復(fù)雜問題沒有在文中提及，如直接計(jì)算波浪載荷在艏門設(shè)計(jì)中的應(yīng)用、非對(duì)稱抨擊載荷對(duì)艏門支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響、艏門操縱臂的扭曲受力和疲勞分析等，這些問題對(duì)艏門設(shè)計(jì)的可靠性和安全性有重要影響，有必要進(jìn)一步深入研究。