海運(yùn)中駁船疊裝運(yùn)輸?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

盧金金，姚壯樂(lè)

（中遠(yuǎn)海運(yùn)特種運(yùn)輸股份有限公司，廣東 廣州 510623）

船舶工業(yè)素有“綜合工業(yè)之冠”的美譽(yù)，作為現(xiàn)代工業(yè)的集大成者，對(duì)交通運(yùn)輸、海洋開(kāi)發(fā)、國(guó)防建設(shè)等都有著重大意義。截至2022 年，我國(guó)造船業(yè)三大指標(biāo)已經(jīng)連續(xù)13 年穩(wěn)居世界第一[1]。外國(guó)船東在中國(guó)訂造的各類(lèi)船舶持續(xù)增長(zhǎng)，駁船就是其中的一種。這使得駁船這一類(lèi)重大件貨物的海運(yùn)出口成為國(guó)際航運(yùn)市場(chǎng)上不可或缺的一部分。在同一航次內(nèi)，能夠安全地裝運(yùn)更多的駁船成為外國(guó)船東的核心需求，同時(shí)，這也對(duì)航運(yùn)公司的承運(yùn)船舶和貨運(yùn)技術(shù)能力提出了更高的要求。本文將從一個(gè)以駁船為運(yùn)輸對(duì)象的實(shí)際海運(yùn)項(xiàng)目來(lái)研究基于多用途船舶的駁船疊裝技術(shù)，主要內(nèi)容是對(duì)支撐結(jié)構(gòu)展開(kāi)相應(yīng)的設(shè)計(jì)與分析工作。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.1 運(yùn)輸船舶和航線介紹

（1）該項(xiàng)目由某型36000DWT 多用途船承運(yùn)，如圖1 所示，船舶主尺度信息如下表1 所示：

圖1 某型36000DWT 多用途船

表1 船舶主尺度和載重量

（2）該項(xiàng)目從中國(guó)太倉(cāng)港運(yùn)到荷蘭鹿特丹港，航程大概為10614 海里，按照12.5 節(jié)的平均航速，預(yù)計(jì)航行時(shí)間為36 天。航行路線如下圖2 所示：

圖2 航行路線

1.2 貨物信息介紹

該項(xiàng)目的貨物為3 艘駁船，主要信息如下表2 所示：

表2 駁船主尺度和重量信息

2 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 貨物配載對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的尺寸要求

根據(jù)某型36000DWT 多用途船的主尺度以及運(yùn)輸能力，本文對(duì)3 艘駁船進(jìn)行配載。通過(guò)表2 中的貨物信息以及貨物圖紙，將三號(hào)駁船配載在多用途運(yùn)輸船甲板的左舷側(cè)，將二號(hào)駁船配載在多用途運(yùn)輸船甲板的右舷側(cè)，同時(shí)將一號(hào)駁船疊裝在二號(hào)駁船上方。

（1）高度設(shè)計(jì)。下層二、三號(hào)駁船生活區(qū)的最高點(diǎn)到主甲板的高度是2.82 米，因此，在設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)的高度時(shí)，既要保證上層駁船不會(huì)碰到下層駁船的生活區(qū)，又要控制其高度在安全范圍內(nèi)的最低值。根據(jù)過(guò)往經(jīng)驗(yàn)以及估算，設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)的高度為2.98 米。

（2）長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。下層駁船的橫向強(qiáng)框架（web frame）的跨距是1476mm，上層駁船的橫向強(qiáng)框架（web frame）的跨距是1755mm，跨距差值為279mm。為了能夠直接將上層駁船的載荷有效的傳遞到下層駁船，本文取下層駁船的橫向強(qiáng)框架（web frame）跨距作為支撐結(jié)構(gòu)的寬度。同時(shí)，在配載時(shí)，盡可能保證上層駁船橫向強(qiáng)框架（web frame）的一個(gè)完整跨距坐在支撐結(jié)構(gòu)的上方，既保證上層駁船船底板的變形最小又滿(mǎn)足載荷傳遞連續(xù)的要求。

（3）寬度設(shè)計(jì)。下層駁船的舷側(cè)為雙層殼結(jié)構(gòu)，其船體外板與雙層殼內(nèi)板之間的距離為800mm。因此，支撐結(jié)構(gòu)的寬度按照800mm 來(lái)設(shè)計(jì)。

3 艘駁船在多用途運(yùn)輸船上的整體配載方案如圖3所示：

圖3 配載方案

2.2 垂向外力對(duì)支撐結(jié)構(gòu)數(shù)量的要求

根據(jù)IMO 的《Code of safe practice for cargo stowage and securing》(CSS Code)的計(jì)算方法[2]，本文將多用途運(yùn)輸船的主尺度信息、航速、駁船主尺度和重量信息等參數(shù)輸入到計(jì)算表中，得出作用在駁船上的縱向、橫向和垂向加速度，如表3 所示：

表3 作用在駁船上的縱向、橫向和垂向加速度

進(jìn)一步按照CSS Code 的計(jì)算方法，考慮風(fēng)載荷、波浪載荷以及上層駁船的自重，對(duì)作用在支撐結(jié)構(gòu)上的外力進(jìn)行計(jì)算，得出縱向、橫向和垂向外力，如表4所示：

表4 作用在支撐結(jié)構(gòu)上的縱向、橫向和垂向外力

由表4 可見(jiàn)，垂向外力是支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要載荷。由于支撐結(jié)構(gòu)需要焊在下層駁船的主甲板上，在綜合考慮不超過(guò)下層駁船的支撐能力和保證支撐結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度的情況下，根據(jù)以往項(xiàng)目方案和運(yùn)輸經(jīng)驗(yàn)，考慮每個(gè)支撐結(jié)構(gòu)按承受120t 垂向載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，初步評(píng)估需要使用18 個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。

2.3 縱向和橫向外力對(duì)支撐結(jié)構(gòu)肘板數(shù)量的要求

在配載方案中，支撐結(jié)構(gòu)需要將上層的一號(hào)駁船受到的外力通過(guò)自身傳遞到下層的二號(hào)駁船。因此，需要在支撐結(jié)構(gòu)的頂部設(shè)計(jì)一定數(shù)量的肘板來(lái)連接上層駁船和支撐結(jié)構(gòu)的主體部分。

由表4 可見(jiàn)，橫向外力約等于縱向外力的2 倍，因此橫向肘板的數(shù)量也是縱向肘板的2 倍?；谝酝?xiàng)目方案，使用如圖4 所示的肘板，可按傳遞15t 載荷來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖4 肘板設(shè)計(jì)圖

經(jīng)過(guò)計(jì)算，肘板數(shù)量需求如表5 所示：

表5 肘板數(shù)量需求

由表5 可見(jiàn)，每一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)2 個(gè)縱向肘板和4 個(gè)橫向肘板，就能夠滿(mǎn)足傳遞縱向和橫向載荷的要求。支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖如圖5 所示：

圖5 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 支撐結(jié)構(gòu)有限元分析

在第二節(jié)，本文已經(jīng)完成了對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)和數(shù)量分析、受力分析、肘板數(shù)量分析。在本節(jié)，將對(duì)支撐結(jié)構(gòu)與下層駁船的局部船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模型建模。選擇局部船體結(jié)構(gòu)的范圍時(shí)，本文綜合考慮了載荷傳遞和有限元模型計(jì)算效率。按照經(jīng)驗(yàn)，在船長(zhǎng)方向上選擇前后相鄰一個(gè)強(qiáng)框架的范圍、在船寬方向上選擇兩個(gè)桁材間距的范圍、在型深方向上選擇兩個(gè)骨材間距的范圍納入有限元模型[3]。同時(shí)，在分析過(guò)程中，反復(fù)迭代和優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)主體的減輕孔設(shè)計(jì)。

支撐結(jié)構(gòu)在橫向受力上具有不對(duì)稱(chēng)性，因此要分別考慮橫向外力是來(lái)自右舷方向和左舷方向兩種情況，并對(duì)該有限元模型在兩種載荷組合下進(jìn)行強(qiáng)度分析。載荷組合如表6 所示，有限元模型如圖6 所示：

圖6 有限元模型

表6 載荷組合

在有限元模型中，支撐結(jié)構(gòu)的材料為：楊氏模量2.06x105Mpa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度為355Mpa，許用應(yīng)力為284Mpa，許用剪切應(yīng)力為188Mpa。校核結(jié)果如下表7～8 所示，應(yīng)力云圖如圖7～10 所示。

圖7 Von Mise Stress

表7 載荷組合1 的校核結(jié)果

表8 載荷組合2 的校核結(jié)果

（1）在載荷組合1 下，對(duì)有限元模型進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)力分布如圖7 和圖8 所示：

圖8 Max Shear Stress

在圖7 中，最大合成應(yīng)力為221.3Mpa，小于許用應(yīng)力。在圖8 中，最大剪切應(yīng)力為108.0Mpa，小于許用剪切應(yīng)力。

（2）在載荷組合2 下，對(duì)有限元模型進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)力分布如圖9 和圖10 所示：

圖9 Von Mise Stress

圖10 Max Shear Stress

在圖9 中，最大合成應(yīng)力為184.0Mpa，小于許用應(yīng)力。在圖10 中，最大剪切應(yīng)力為74.92Mpa，小于許用剪切應(yīng)力。

因此，第二節(jié)中考慮的支墩設(shè)計(jì)方案，即使用18個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4 個(gè)橫向肘板和2個(gè)縱向肘板，能夠滿(mǎn)足駁船運(yùn)輸中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

4 支撐結(jié)構(gòu)焊縫強(qiáng)度校核

在本節(jié)，將對(duì)支撐結(jié)構(gòu)與下層的二號(hào)駁船的焊縫強(qiáng)度以及與上層的一號(hào)駁船的焊縫強(qiáng)度進(jìn)行校核。支撐結(jié)構(gòu)在上下層駁船之間的橫剖面布置圖如圖11 所示：

圖11 支撐結(jié)構(gòu)在上下層駁船之間的橫剖面布置圖

根 據(jù)DNVGL-ST-001 的《Marine operations and marine warranty》的計(jì)算方法對(duì)角焊縫做強(qiáng)度校核[4]。在焊縫設(shè)計(jì)中，取焊縫的焊腳高度為0.8 倍的板厚，主要校核的是焊喉所在平面內(nèi)的三向應(yīng)力：焊喉面內(nèi)平行于焊縫長(zhǎng)度方向的切應(yīng)力τ‖、焊喉面內(nèi)垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的切應(yīng)力τ、垂直于焊喉面的正應(yīng)力σ，以及合成應(yīng)力σc。三向應(yīng)力的示意圖，如下圖12 所示：

圖12 焊縫校核的三向應(yīng)力示意圖

（1）支撐結(jié)構(gòu)與下層駁船的焊縫校核。焊縫示意圖如圖13 所示：

圖13 支撐結(jié)構(gòu)與下層駁船的焊縫示意圖

在橫向外力、縱向外力以及由這兩個(gè)外力作用在焊縫上的力矩下，本文對(duì)整個(gè)焊縫截面進(jìn)行計(jì)算，焊縫強(qiáng)度校核結(jié)果如下表9 所示：

表9 支撐結(jié)構(gòu)與下層駁船的焊縫校核

由表9 可見(jiàn)，各項(xiàng)校核結(jié)果均小于許用值，符合規(guī)范要求。

（2）支撐結(jié)構(gòu)的肘板與上層駁船的焊縫校核。焊縫示意圖如圖14 所示：

圖14 支撐結(jié)構(gòu)與上層的一號(hào)駁船的焊縫示意圖

在橫向外力和縱向外力的作用下，本文對(duì)整個(gè)焊縫截面進(jìn)行計(jì)算，焊縫強(qiáng)度校核結(jié)果如下表10 所示：

表10 支撐結(jié)構(gòu)的肘板與上層駁船的焊縫校核

由表10 可見(jiàn)，各項(xiàng)校核結(jié)果均小于許用值，符合規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

重大件海運(yùn)項(xiàng)目在特種船運(yùn)輸領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。駁船作為具有超重、超長(zhǎng)、超寬、超大等特征的海運(yùn)貨物，對(duì)其運(yùn)輸方案進(jìn)行全面、詳細(xì)、經(jīng)濟(jì)、安全的設(shè)計(jì)顯得十分必要。本文從“駁船疊裝技術(shù)”切入，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)與駁船之間的相互作用進(jìn)行了分析，主要包括支撐結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)、支撐結(jié)構(gòu)與局部船體結(jié)構(gòu)的有限元分析、支撐結(jié)構(gòu)與上下層駁船之間的焊縫強(qiáng)度校核。本文的研究?jī)?nèi)容將為同類(lèi)貨物的海運(yùn)項(xiàng)目提供一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路和分析方法。