1 800 m3開體泥駁甲板鉸鏈與液壓缸支座的設(shè)計(jì)

紀(jì) 偉,成 辰,李祥光

(1.揚(yáng)州金海洋船舶設(shè)備有限公司,江蘇 揚(yáng)州 225000;2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212000;3.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

開體泥駁兼有載重型船舶和布置地位型船舶的特點(diǎn),在總體設(shè)計(jì)時(shí)要解決“裝得下”和“拋得出”2個(gè)問題。甲板鉸鏈和液壓缸支座,是實(shí)現(xiàn)開體泥駁“拋得出”的關(guān)鍵部件。

袁萬洪[1]對(duì)某500 m3開體泥駁片體進(jìn)行受力分析,并參照母型船對(duì)甲板鉸鏈、油缸支座進(jìn)行設(shè)計(jì)。閆桂榮[2]根據(jù)船級(jí)社規(guī)范分析了某1 800 m3開體泥駁液壓缸、甲板鉸鏈的力學(xué)原理、受力、結(jié)構(gòu)形式和尺寸校核等。楊敬東等[3]對(duì)某60 m3對(duì)開泥駁的鉸鏈臂和甲板鉸鏈結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了理論分析并加以改進(jìn),最后采用有限元方法對(duì)改進(jìn)后的鉸鏈臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

本文以1 800 m3沿海自航開體泥駁(以下簡(jiǎn)稱“本船”)為例,對(duì)開體船甲板鉸鏈與液壓缸支座的受力計(jì)算、結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件尺寸的確定等進(jìn)行詳細(xì)分析,提出動(dòng)載荷的3種計(jì)算方法,并利用有限元法對(duì)甲板鉸鏈、油缸支座的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行直接計(jì)算和校核強(qiáng)度。

1 開體力的計(jì)算

開體泥駁整個(gè)船體沿縱向分成2個(gè)片體,通過甲板鉸鏈連接。泥艙的前后兩端分別設(shè)置油缸艙,驅(qū)動(dòng)片體繞甲板鉸鏈水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在片體開合過程中,開體力將轉(zhuǎn)化為甲板鉸鏈的載荷。

開體力是甲板鉸鏈和液壓缸支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù),也是液壓缸定量選型的重要參考依據(jù)。受波浪、浮態(tài)變化等因素的影響,開體力的計(jì)算應(yīng)考慮靜載荷和動(dòng)載荷。

1.1 靜載荷

中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2021)(下文簡(jiǎn)稱《海規(guī)》)對(duì)半體開合力矩和液壓缸的水平靜力的計(jì)算公式如下[4]:

M=Fsh2-Fwh3+Δb1-Wlb2-Wsb3

(1)

(2)

(3)

式中:M為半體開合力矩;Fs為泥漿水平壓力;h2為泥漿水平壓力至鉸鏈點(diǎn)的垂直距離;Fw為泥艙范圍內(nèi)舷外靜水壓力;h3為舷外靜水壓力至鉸鏈點(diǎn)的垂直距離;Δ為載泥時(shí)半體的靜水浮力;b1為Δ至鉸鏈點(diǎn)的水平距離;Wl為不載泥時(shí)半體的重力;b2為Wl至鉸鏈點(diǎn)的水平距離;Ws為半體泥漿的重力;b3為Ws至鉸鏈點(diǎn)的水平距離;Fsr為液壓缸的水平靜力;FP為液壓缸柱塞端面上的壓力;h4為液壓裝置水平力至鉸鏈點(diǎn)的垂直距離;Fsh為甲板鉸鏈的水平靜力;h5為甲板鉸鏈至基線的垂直距離。

靜載荷計(jì)算公式適用于開體泥駁的各種工況。一般情況下,最大水平靜載荷通常發(fā)生在滿載設(shè)計(jì)密度泥沙時(shí)的作業(yè)工況,其他工況相對(duì)較小,在方案設(shè)計(jì)時(shí)往往不予考慮。

1.2 動(dòng)載荷

由于波浪、浮態(tài)等因素的影響,液壓缸及甲板鉸鏈會(huì)受到劇烈動(dòng)載荷作用?！逗Ｒ?guī)》明確規(guī)定,動(dòng)載荷應(yīng)按照預(yù)期作業(yè)的海況條件,經(jīng)動(dòng)力計(jì)算及統(tǒng)計(jì)分析得到[4]。

在開體泥駁的設(shè)計(jì)實(shí)踐中,常用的動(dòng)載荷計(jì)算有經(jīng)驗(yàn)公式法、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法、母型船換算法。

1.2.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

中國(guó)海洋學(xué)會(huì)提出一種動(dòng)載荷的近似經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式:

(4)

(5)

(6)

式中:Fdh為甲板鉸鏈的水平動(dòng)力;B為型寬;L為船長(zhǎng);Fdv為甲板鉸鏈的垂向動(dòng)力;Ld為泥艙長(zhǎng)度;Fdr為液壓缸的水平動(dòng)力。

1.2.2 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法

在滿載吃水狀態(tài)下,在離岸15 n mile以內(nèi)的區(qū)域,動(dòng)力取靜力的60%左右,而超過15 n mile的區(qū)域取靜力的70%左右。另外,設(shè)計(jì)者要根據(jù)實(shí)際情況,考慮是否增加一定比例的海況儲(chǔ)備[2]。

1.2.3 母型船換算法

母型船換算法是指利用弗勞德數(shù)(Fr)和斯特勞哈爾數(shù)(Sr)相同的原則,通過母型船動(dòng)載荷進(jìn)行換算。船舶的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)幅值、橫搖運(yùn)動(dòng)、絕對(duì)加速度、相對(duì)波面運(yùn)動(dòng)等是產(chǎn)生動(dòng)載荷的最主要原因。因此,當(dāng)模型船(母型船)和實(shí)船(設(shè)計(jì)船)的幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似時(shí),通過模型船數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的換算[5-6],見表1。

表1 模型船和設(shè)計(jì)船的相似關(guān)系

動(dòng)力相似包括粘性力相似、重力相似和慣性力相似。粘性力相似要滿足模型船和實(shí)船的雷諾數(shù)Re相等,重力相似要滿足Fr相等,慣性力相似代表了不定常流動(dòng)的相似條件,要求Sr相等:

(7)

(8)

(9)

式中:ν為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù);v為速度;L′為特征線性長(zhǎng)度;t為時(shí)間常數(shù)。

由于粘性力在耐波性實(shí)驗(yàn)中起次要作用,一般只需要保證兩船的Fr和Sr相等,忽略Re因素[7]。當(dāng)母型船與設(shè)計(jì)船的Fr和Sr相等時(shí),動(dòng)載荷成如下比例:

(10)

式中:Fd為動(dòng)載荷;Δ為排水量。

在開體泥駁的設(shè)計(jì)工作中,找到Fr和Sr相同或相近的母型船并不困難,Sr計(jì)算中的特征線性長(zhǎng)度L′可取船長(zhǎng)、型寬、吃水等船舶主尺度,時(shí)間常數(shù)t可取橫搖固有周期。因此,只要保證母型船載荷數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,應(yīng)用該法進(jìn)行設(shè)計(jì)船舶動(dòng)載荷的計(jì)算,準(zhǔn)確度相對(duì)較高。同時(shí),可通過對(duì)多艘母型船數(shù)據(jù)換算統(tǒng)計(jì)分析后,取眾數(shù)或最大值。

1.3 開體力計(jì)算實(shí)例

本船的主要參數(shù)如下:

船長(zhǎng)72.8 m,型寬15.0 m,型深5.2 m,吃水4.0 m,泥艙長(zhǎng)度43.2 m,泥艙容積1 832 m3,排水量3 822 t,方形系數(shù)0.852。

將本船數(shù)據(jù)代入公式(1)～公式(3),可求得:M=68 111.09 kN·m,Fsr=5 974.66 kN,Fsh=478.54 kN。

3種動(dòng)載荷計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 3種動(dòng)載荷計(jì)算方法結(jié)果比對(duì)

由上表計(jì)算結(jié)果可知,應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式法相對(duì)偏安全。以此可求出,設(shè)計(jì)工況下甲板鉸鏈所承受的合力Fh:

(11)

液壓缸所承受的水平力:

Fr=Fsr+Fdr=9 068.78 kN

(12)

通過求取液壓缸所承受的水平力,可以估算出液壓缸的工作壓力。目前,我國(guó)國(guó)產(chǎn)油缸柱塞泵的最大工作壓力為31.5 MPa。當(dāng)設(shè)計(jì)油缸工作壓力大于上述指標(biāo),選配國(guó)產(chǎn)油缸柱塞泵時(shí),則應(yīng)考慮在每個(gè)油缸艙內(nèi)設(shè)置2只油缸,每只液壓缸各自的水平靜力應(yīng)通過求解作用在船體上的靜動(dòng)力得到。

2 甲板鉸鏈與液壓缸支座構(gòu)件尺寸的確定

2.1 甲板鉸鏈構(gòu)件尺寸的確定

本船甲板鉸鏈的結(jié)構(gòu)型式采用“3+2”型設(shè)計(jì),見圖1。

圖1 甲板鉸鏈設(shè)計(jì)

《海規(guī)》規(guī)定了中心鉸鏈眼板的取值需滿足:

(13)

兩側(cè)鉸鏈眼板的取值需滿足:

(14)

中心眼板、兩側(cè)眼板與甲板連接處的剖面應(yīng)滿足:

(15)

式中:F為鉸鏈?zhǔn)艿降暮狭?A為眼板剖面積;W為剖面的剖面模數(shù);ReH為眼板材料的屈服應(yīng)力;其余參數(shù)見圖2。

Fx—鉸鏈的水平力;Fz—鉸鏈的垂向力;h—銷軸中心至甲板的垂直距離;l—銷軸中心至剖面中和軸的水平距離;t1s、t2s、t1c、t2c—厚度;b1s、b2s、b1c、b2c—寬度。圖2 甲板鉸鏈設(shè)計(jì)參數(shù)

在開體力確定的前提下,甲板鉸鏈眼板的應(yīng)力衡準(zhǔn)與眼板幾何尺寸關(guān)聯(lián)較大。如增大銷軸中心至甲板的垂直距離,可減小開體力,增加半體開合力矩,但需要更強(qiáng)的鉸鏈結(jié)構(gòu);適當(dāng)加大眼板的剖面積和剖面模數(shù),可以降低甲板鉸鏈和甲板連接剖面處的應(yīng)力水平,但鉸鏈自重增加。因此,在甲板鉸鏈的設(shè)計(jì)中,應(yīng)綜合考慮各參數(shù)間的關(guān)系,平衡取值。

2.2 液壓缸支座構(gòu)件尺寸的確定

液壓缸通過支座與船體結(jié)構(gòu)相連,每個(gè)支座由2塊眼板(法蘭片)、加強(qiáng)圈、橫向連接板、連接肘板等零件組成。眼板通過軸銷與液壓缸耳環(huán)相連,直接承受液壓缸的開體力,見圖3。

圖3 液壓缸支座結(jié)構(gòu)

《海規(guī)》中并無對(duì)液壓缸支座構(gòu)件尺寸設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式,設(shè)計(jì)中可采用直接計(jì)算法進(jìn)行校核:

(16)

式中:δ為眼板厚度;D為眼板軸銷處的寬度;d為軸銷處的開孔直徑;[σ]為許用應(yīng)力,一般取0.6ReH。

加強(qiáng)圈焊接在眼板外側(cè),一般取眼板厚度的40%～60%。為減緩眼板的磨損和銹蝕,有時(shí)也可在眼板內(nèi)側(cè)焊接一塊薄的加強(qiáng)圈。

眼板與油缸艙內(nèi)底板及縱壁焊接,將所承受的力分散到船體上,因此與其相連的船體板架結(jié)構(gòu)零件厚度不宜過薄,以防出現(xiàn)過大的局部變形。內(nèi)底板下方也應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的橫向結(jié)構(gòu)(如加厚的肋板)與眼板對(duì)應(yīng)。如眼板伸出縱壁長(zhǎng)度過長(zhǎng),為防止眼板失穩(wěn),可設(shè)置橫向連接板和連接肘板進(jìn)行扶強(qiáng),橫向連接板和連接肘板應(yīng)保持在同一直線上。

3 有限元法強(qiáng)度校核

3.1 有限元模型

利用MSC PATRAN/NASTRAN有限元軟件建立甲板鉸鏈底座、油缸裝置及船體支撐構(gòu)件有限元模型,見圖4。

圖4 艙段有限元模型(隱去橫艙壁)

3.2 邊界條件

模型的兩端,即油缸艙各自的首尾端壁(簡(jiǎn)稱A端和B端)需要約束,見表3。各項(xiàng)約束的縱向坐標(biāo)軸應(yīng)與甲板鉸鏈軸所在x軸重合,而非全局坐標(biāo)原點(diǎn)處的縱向坐標(biāo)軸。

表3 邊界條件

3.3 載荷

通過設(shè)定多點(diǎn)約束點(diǎn),對(duì)甲板鉸鏈支座和液壓缸眼板施加載荷。由于甲板鉸鏈左右兩舷不對(duì)稱,甲板鉸鏈水平載荷分為向左(工況1)和向右(工況2)2個(gè)工況施加,各工況下液壓缸眼板載荷相同。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

艙段整體和各部分的最大相當(dāng)應(yīng)力與應(yīng)變計(jì)算結(jié)果分別見表4和表5。

表4 最大相當(dāng)應(yīng)力與應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

表5 各部分應(yīng)力水平 單位:MPa

計(jì)算結(jié)果表明:艙段整體相當(dāng)應(yīng)力水平滿足衡準(zhǔn)要求;最大相當(dāng)應(yīng)力并未出現(xiàn)在甲板鉸鏈和液壓缸眼板位置處,但甲板板和中央縱壁板與甲板鉸鏈相交的部位,相當(dāng)應(yīng)力高于其他板架處。因此,可適當(dāng)加大這兩處的板厚,降低應(yīng)力水平。同時(shí),對(duì)應(yīng)力水平較低的部位,如舷側(cè)板、內(nèi)底板等位置,也可適當(dāng)減少板厚,實(shí)現(xiàn)船體受力優(yōu)化及結(jié)構(gòu)輕量化,達(dá)到節(jié)省造船材料降低造船成本的目標(biāo)。

4 結(jié)論

(1)開體力的計(jì)算是甲板鉸鏈和液壓缸支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。受波浪等因素的影響,開體力包含靜載荷和動(dòng)載荷。

(2)通過對(duì)1 800 m3沿海自航開體泥駁的甲板鉸鏈與液壓缸支座設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,提出開體力動(dòng)載荷的3種求取方法,并利用有限元軟件對(duì)艙段強(qiáng)度進(jìn)行直接計(jì)算。結(jié)果表明,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度衡準(zhǔn)要求。