小型船舶進塢防傾支撐設計

向小斌

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

0 引言

船舶進塢是通過牽引裝置或拖輪將待進塢船舶引入塢內，然后進行排水坐墩的作業過程[1]。對于常規商船或海工平臺，在進塢前按線型布置好塢墩，即可滿足進塢要求。由于這些結構具有寬大的平底設計，故塢墩對船體結構有良好的支撐作用，一般認為船舶浮出水面后不會傾斜或傾倒。

對于一些小船或特定船只，僅中內龍骨沿船長方向為一條直線，船舶沿船寬方向無平底結構。此外，由于年代久遠，相關船舶圖紙已經丟失，船舶線型不得而知。在此情況下強行進塢，船舶在上浮過程中存在傾倒風險，因此，需要采取防傾措施來確保船舶進塢的安全性。

本文基于某小型船舶的進塢過程，對防傾措施進行對比選型和可行性分析。根據小型船舶共有的特性，對選定的防傾方案進行詳細設計和有限元分析，以確保防傾結構滿足強度要求。

1 防傾載荷計算

防傾載荷主要由環境條件引起的橫向動態載荷和進塢船自身橫傾產生的靜態載荷等2 部分組成。

1.1 典型進塢船舶主尺度

根據使用需求，典型進塢船舶主尺度見表1。

表1 典型進塢船主尺度

1.2 進塢船動態載荷

根據設計目標，防傾結構需要滿足的作業環境為：1）4 級及以下海況；2）蒲氏5 級及以下風力；3）3 kn（1 kn=0.514 m/s）及以下流速；4）有義波高在1.5 m 及以下。

通過水動力分析，計算浮船塢及進塢船在最惡劣環境條件下進塢時的加速度。由于本次設計主要考慮防止船舶橫向傾倒，因此設計時主要考慮船舶的橫向加速度。

經計算，浮船塢和進塢船在目標作業環境下的橫向加速度分別為0.549 m/s2和0.731 m/s2。

1.3 進塢船靜態載荷

在設計防傾裝置時，需要考慮船舶進塢橫傾導致的橫向靜態載荷的影響。由于橫傾對防傾裝置受力情況和塢墩布置難度的影響較大，需要對船舶進塢時的浮態進行限制，確保進塢時船舶的橫傾角度不大于5°。

根據傾斜試驗的基本原理[2]，在小角度橫傾時，初穩心高度hGM與橫傾力矩MT的關系為

式中：Δ為船舶排水量；θ為船舶橫傾角。

不同排水量和中心高度情況下的船舶橫傾力矩見表2。

表2 船舶橫傾力矩計算表

1.4 防傾裝置受力計算

由表2 可知，相較于1 000 噸級的船舶，2 000噸級船舶橫傾力矩增大了8～10 倍。若采用防傾裝置扶正橫傾船舶，則裝置受力過大。為在確保進塢船舶防傾措施安全可靠的同時兼顧經濟性，在左舷側設置塢墻，在右舷側設置可移動塔架。當船舶進塢后，塔架橫向移動并緊靠船舶。對于橫傾角度在5°以內、1 000 噸級以下的船舶，進塢時不需要考慮船舶朝向；對于橫傾角度超過1°、1 000～2 000 噸級的船舶，進塢時需要將傾斜的一側靠近塢墻，以便獲得較大的橫向支撐力。

進塢船舶與塔架的受力情況見圖1。當船舶橫傾一側緊靠塔架時，有

圖1 進塢船舶及塔架受力示意圖

當船舶橫傾一側緊靠塢墻時，有

式（2）和式（3）中：F1為塔架支反力；F2為橫向運動力；F3為橫向摩擦力；G 為船舶重力；d1～d3分別為F1～F3相較于質心的力臂。

塔架防傾所需支反力見表3。

表3 塔架受力計算表

2 防傾塔架布置圖

防傾塔架布置情況見圖2，沿船長方向設置2組防傾塔架，塔架間距約19.2 m，適用于2 000 噸級以下的小型船舶。塔架可通過絞車牽引向左舷移 動。防傾塔架組成示意圖見圖3，為減少摩擦，為塔架配備滾輪，同時在塔架軌道上設置銷軸孔。當氣囊與進塢船舶接觸后，銷軸自動落入銷軸孔，通過氣囊緩沖，阻止船舶沿橫向傾倒。

圖2 防傾塔架布置圖

圖3 防傾塔架組成示意圖

3 塔架強度評估

由表3 可知，橫傾5°范圍內排水量1 000 噸級和2 000 噸級船舶塔架的最大防傾裝置受力分別為963.2 kN 和1 158.4 kN。

考慮到實際加速度與計算加速度之間存在誤差，將加速度系數取為1.1；考慮到兩塔架并非平均受力，故將載荷分配系數取為1.3。塔架最大支反力為1158.4×1.1×1.3=1 656.5 kN，計算時實取塔架總承載能力為1 700 kN，單個塔架承載能力為850 kN。

使用Patran 軟件進行有限元建模，塔架及底座有限元模型見圖4，塔架前面板、塔架背面框架腹板、塔架底部框架等采用板單元模擬，其他構件采用梁單元模擬。網格尺寸取為100 mm×100 mm，塔架材料均選取屈服強度為350 MPa 的高強度鋼。

圖4 塔架及底座有限元模型

如圖5 所示，有限元計算設置3 種工況：1）上層氣囊單獨受力850 kN（工況1）；2）中層氣囊單獨受力850 kN（工況2）；3）下層氣囊單獨受力850 kN（工況3）。不同工況下塔架應力云圖見圖6。根據中國船級社（China Classification Society，CCS）相關規范[3]，許用組合應力為355 MPa，許用切應力為213 MPa。各工況應力情況見表4，各工況結構應力均在許用應力范圍之內，塔架強度滿足設計要求。

表4 各工況塔架結構最大應力

4 軌道強度評估

根據塔架受力情況，計算得到軌道支反力，建立軌道及塢體有限元模型（見圖7）并進行強度評估。軌道及塢體材料均為屈服應力為355 MPa 的高強度鋼。由于軌道與塢體結構為間斷焊，故采用多點約束（Multi-Point Constraints，MPC）模擬焊接部分。塔架作用于軌道最大支反力示意圖與軌道結構應力云圖分別見圖8和圖9。最大組合應力為169 MPa，小于許用應力355 MPa[3]，軌道結構的強度滿足設計要求。

圖8 塔架作用于軌道最大支反力示意圖

圖9 軌道結構應力云圖

5 實船應用驗證

在防傾塔架制作完成后，進行海上進塢防傾倒試驗，通過壓載使船舶橫傾5°，進塢時使船舶傾斜一側靠緊塔架。經試驗驗證，該防傾塔架可滿足工程實際需求。防傾塔架正視圖和側視圖分別見圖10和圖11。

圖10 防傾塔架正視圖

圖11 防傾塔架側視圖

6 結論

本文基于某小型船舶的進塢過程，對塔架的防傾措施進行對比選型和可行性分析。根據小型船舶共有的特性，對選定的防傾方案進行詳細設計和有限元分析，可得到如下結論：

1）對于1 000 噸級以上的船舶，需要將傾斜一側沿塢墻?？?，有效利用了塢墻，在防止傾斜的同 時有效減少了結構用料。

2）塔架在絞車的牽引下可沿船橫向移動，機械化程度較高，移動方便。鋼絲繩移動區域均在塢墩高度以下，不會對進船舶進出塢產生影響。

3）塔架銷軸利用門鎖原理，當塔架向左舷移動時，銷軸自動提升；當塔架向右舷移動時，銷軸自然落下，垂直面與銷軸孔形成自鎖，防止塔架受到船舶傾斜力時后撤，進而起到防傾倒作用。