侯恕萍，張 俊，王欽政，劉旭東，于海洋

(哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

船舶應(yīng)急封堵裝置主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及水阻力的分析

侯恕萍，張 俊，王欽政，劉旭東，于海洋

(哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

針對船舶破損應(yīng)急封堵裝置的整體結(jié)構(gòu)，利用UG軟件建立封堵裝置整體結(jié)構(gòu)的三維模型，通過 Ansys Workbench 軟件對應(yīng)急封堵裝置結(jié)構(gòu)中承受力作用的重要部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，并基于仿真結(jié)果對結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行優(yōu)化。然后對整體裝置在布放使用過程中的水阻力情況進(jìn)行計算和仿真分析，確定整體裝置最佳的布放形式。

船舶破損；應(yīng)急封堵裝置；結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析；水阻力分析

0 引 言

海上運(yùn)輸船舶往往裝載大量工業(yè)原材料，當(dāng)這些船舶發(fā)生事故，會使大量有害物質(zhì)排入海洋與大氣中，使海洋環(huán)境遭到破壞。船舶破損的原因有很多，破損的程度也各不相同。對于輕微的破損只是產(chǎn)生局部破裂，對船體本身的危害較小，造成的環(huán)境污染也很局限，這種情況的應(yīng)急處理只要及時有效地進(jìn)行破損處的封堵，防止事故的擴(kuò)大，就不會對經(jīng)濟(jì)及環(huán)境造成嚴(yán)重影響。而對于破損嚴(yán)重的船舶，尤其造成船體大面積破損且表面狀況復(fù)雜、變形嚴(yán)重的情況，傳統(tǒng)的船舶應(yīng)急處理方法已經(jīng)無效，一方面破損事故得不到有效控制，會造成大量的財產(chǎn)損失，另一方面也會造成大面積的水域環(huán)境污染，而事故后期的處理除需要大量人力物力外，只能盡量減輕對環(huán)境的污染卻無法徹底清除。而船舶應(yīng)急封堵裝置的作用便是對船舶失事時進(jìn)行快速應(yīng)急處理，從源頭上降低事故影響[1 - 2]。

1 船舶應(yīng)急封堵裝置主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 封堵裝置整體結(jié)構(gòu)模型及技術(shù)參數(shù)

船舶應(yīng)急封堵技術(shù)主要是針對船舶突發(fā)事故的應(yīng)急處理，而事故發(fā)生的海況、船舶破損的程度及位置、船體表面工況等均有不同，因此要求裝置具有應(yīng)急性、通用性、適應(yīng)性、便攜性。裝置整體采用拖鏈?zhǔn)?、可擴(kuò)展模塊單體結(jié)構(gòu)，永磁吸附，如圖 1 設(shè)計的應(yīng)急封堵裝置圖，主要組成部分有吸附模塊、支撐模塊、鏈接模塊和密封模塊。封堵裝置性能參數(shù)：自重≤ 50 kg；單體面積尺寸為 1.66×1.62 m2；單體封堵孔洞面積為1.5×1.5 m2；最大封堵力 ≤ 45 000 N。

封堵裝置布放方式如圖 2 所示。裝置以卷狀形式封裝，當(dāng)對船體破損處進(jìn)行封堵時，裝置 A 部吸附模塊先與船體表面進(jìn)行吸附，然后將裝置展開直至覆蓋破損區(qū)域，最后裝置 B 部吸附模塊與船體吸附固定，最終實(shí)現(xiàn)對船體破損處的封堵。

該封堵裝置可將單體與單體連接使用，如圖 3 所示，連接原理是在單體的連接模塊中，設(shè)計有蘑菇頭式鎖扣連接結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際破損尺寸組合連接，確定所需封堵裝置工作用長度，選擇單體模塊數(shù)量。圖 4為組合式裝置封堵示意圖。

1.2 封堵裝置主體支撐模塊結(jié)構(gòu)模型

船舶破損封堵裝置主要由支撐模塊、吸附模塊、鏈接模塊和密封模塊共同組成。其中為整體結(jié)構(gòu)提供承力作用的是支撐模塊，裝置在水下對船體進(jìn)行封堵時，會受到海水壓力和水流沖擊力等。支撐模塊的可靠性直接決定裝置整體的工作性能和安全性能。支撐模塊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越高，裝置對船體破損處的封堵效果就越好，裝置整體結(jié)構(gòu)的安全性就越高，所以分析裝置整體的可靠性就是對支撐模塊主承力結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析。圖 4 所示為裝置支撐模塊的各部分結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析支撐架、連接體和密封固定座部分，這幾部分結(jié)構(gòu)是封堵裝置的主要受力部件，起到支撐作用，它們的強(qiáng)度范圍也決定著支撐模塊整體的安全性能。支撐模塊的設(shè)計采用三段式，2 個磁力吸附模塊可以繞連接體轉(zhuǎn)動，最大轉(zhuǎn)角可達(dá) 180°。支撐體中 2 個吸附模塊相對轉(zhuǎn)動是由連接體實(shí)現(xiàn)，連接體的另一個功能是實(shí)現(xiàn)單體與單體之間快速連接，在封堵裝置中有 2 種連接體，一種上面帶有蘑菇頭，另一種帶有插孔，當(dāng)需要封堵裝置組合使用時，只需使連接體上蘑菇頭與插孔連接，即能使封堵裝置組合使用[3-4]。

2 支撐結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件受力分析

2.1 密封布受力情況分析

支撐模塊固定邊緣受力分析如圖 5 所示，由于密封布是正方形且屬于柔性材料，受力變形較大，下面分析封堵深度為 2 m 的極限工況下密封布的受力情況。密封布受力作如下簡化：1）各邊受力相等；2）密封布受力點(diǎn)在中心點(diǎn)上；3）受力點(diǎn)周邊受力均勻，即 11 個受力點(diǎn)所受到拉力相等。

其中 11 個固定點(diǎn)每個點(diǎn)對密封布的拉力大小為Fi（i=1，2，3…11），各固定點(diǎn)上的力與空間直角坐標(biāo)系 3 個坐標(biāo)軸的夾角分別為（αi，βi，θi）。當(dāng)封堵裝置在破口中心水下 2 m 進(jìn)行封堵時，水對中心點(diǎn)的壓力為：

式中：ρ 為海水密度，kg/m3；h 為破口中心點(diǎn)水深，m；S 為可封堵最大破口面積，m2。

每條邊上承擔(dān)豎直方向的力 F邊= F/4 = 11 356 N，也就是等于這個邊上各個支撐點(diǎn)力的 Z 向分力之和，即

由于固定點(diǎn)的布置是以中間點(diǎn)對稱，從中間點(diǎn)向兩邊相同位置點(diǎn)豎直方向的力相同，公式可簡化為：

根據(jù)邊長與點(diǎn)的位置關(guān)系可得到各角度的余弦值：cosθ1= 0.609 2，cosθ2= 0.639 6，cosθ3= 0.666 7，cosθ4= 0.688 2，cosθ5= 0.702 2，cosθ6= 0.707 1。求得Fi的值

通過公式 Fi·cosαi，F(xiàn)i·cosβi可求得各受力點(diǎn) X，Y方向的分力。支撐體受到水平 X 方向的總力為：

式中：cosα1= 0.609 2；cosα2= 0.639 6；cosα3= 0.666 7；cosα4= 0.688 2；cosα5= 0.702 2；cosα6= 0.707 1。

Y 方向分力為 Ficosβi，從整體上看該方向受力相互抵消，實(shí)際上支撐體內(nèi)部受到相互擠壓力的作用，正負(fù) 2 個方向的力相等，力的值為：式中：cosα1= 0.507 6；cosα2= 0.426 4；cosα3= 0.333 3；cosα4= 0.234 1；cosα5= 0.117 0。

2.2 支撐模塊的受力計算和仿真分析

支撐模塊兩端的連接座負(fù)責(zé)將支撐模塊與拖鏈連接（見圖 6）。拖鏈通過螺栓固定到固定座上，拖鏈固定座可繞支撐軸旋轉(zhuǎn)，支撐軸直徑為 20 mm，材料為 45 號鋼。封堵裝置在使用時，會受到水的壓力作用，水壓力通過密封布將力傳遞給支撐體與拖鏈，整個裝置就是依靠支撐體與拖鏈作為支撐框架，因此對支撐體與拖鏈的連接部分對受力要求較高。根據(jù)剪切強(qiáng)度計算軸頸剪切應(yīng)力公式：式中 [τ] 為材料的許用剪切應(yīng)力。當(dāng)材料為 45 號鋼時：

[τs] = 360 MPa，安全系數(shù)取 1，支撐軸可提供最大剪切力：

對照上面章節(jié)所求得密封布邊緣的拉力，支撐軸可以保證足夠的安全裕量。

2.2.1 支撐架

支撐架作為支撐模塊中各組成零件及封裝部件的載體，是重要的承力結(jié)構(gòu)且受力情況較為復(fù)雜，三維模型如圖 7 所示。支撐架設(shè)計的合理可靠性決定著封堵性能，用 Ansys Workbench 對其進(jìn)行有限元分析與校核驗證。通過 UG 直接將模型導(dǎo)入 Workbench 中，選擇靜力學(xué)分析，材料屬性定義為：硬鋁合金，彈性模量 0.7 × 105MPa，泊松比為 0.3。網(wǎng)格劃分情況如圖 8所示。

工作時，支撐架兩端分別受到連接座與連接模塊的壓力；在內(nèi)部受到磁鐵螺栓向下的拉力，拉力加載在磁鐵螺栓孔上；長度方向的 2 個側(cè)面受到密封固定座的拉力。

對支撐架設(shè)置完成后加載求解，圖 9 和圖 10 分別為應(yīng)力云圖與總體變形圖。

從仿真圖中可知，支撐架最大應(yīng)力為 127.4 MPa，支撐架所選用硬鋁合金屈服強(qiáng)度為 276 MPa，σmax≤ σs，可知支撐架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足封堵裝置的要求。支撐架的變形出現(xiàn)在側(cè)面的中間部分，變形量為 0.160 1 mm，相對于總長 700 mm，該變形量較小，對密封的影響有限。

2.2.2 密封固定座

密封固定座是重要的受力部件，模型圖見 11。密封固定座的作用有 2 點(diǎn)，一連接密封布，在一個支撐體中有 11 個密封固定座，可提供 11 個連接點(diǎn)，每點(diǎn)受到密封布水平與向下的拉力；二是提高支撐架的強(qiáng)度，密封固定座連接支撐架的兩側(cè)，可將受力分散，避免應(yīng)力集中。

密封固定座裝配在支撐架上，是密封布固定的載體，固定座受到支撐架與密封布的力，從密封布章節(jié)已知，密封布固定螺栓孔受到斜向下 45° 角的拉力，拉力 Fi= 1 552 N。同以上步驟，對密封固定座進(jìn)行Ansys 仿真分析。圖 12 ～ 圖 14 分別是密封固定座網(wǎng)格劃分圖，應(yīng)力圖及變形圖。

從仿真計算結(jié)果看，密封固定座前端受力比較集中，最大應(yīng)力達(dá)到 192.34 MPa，也是形變最大的部位。同理密封固定座所選用硬鋁合金屈服強(qiáng)度為276 MPa，σmax≤ σs，可知密封固定座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足封堵裝置的要求。

3 行船時封堵裝置布放過程中的水阻力分析

3.1 水阻力分析基本理論

船舶應(yīng)急封堵裝置在解決船舶險情之后，船舶可以在原地等待救援船舶的到來以進(jìn)行修復(fù)。但在條件允許的情況下，比如封堵效果良好，險情得到有效控制，船舶可以先回到船塢中進(jìn)行維修，這樣可大大節(jié)省成本，提高效率。上述通過對支撐結(jié)構(gòu)的仿真分析驗證在船舶靜止時封堵裝置的可靠性，但行船時還要考慮水流沖擊對封堵裝置的阻力，以下對行船狀態(tài)下的封堵裝置進(jìn)行仿真分析，來驗證封堵裝置的可靠

性[5 - 8]。

計算流體動力學(xué)的理論基礎(chǔ)是以下 3 個方程組

式中：ρ 為液體密度，kg/m3；V 為沿著所求方向速度分量，m/s；t 為時間量，s。質(zhì)量守恒定律規(guī)定流入量與流出量的差值等于控制體中質(zhì)量增加率。p 為單位流體上的靜壓力，Pa；F 為沿所求方向外力分量，N；τ*為粘性應(yīng)力張量。動量守恒方程，靜力等于流出動量與流入動量之差加上動量增加率。

式中 E 為液體能量，J。能量守恒定律規(guī)定流入熱量與輸出功的差值等于流入的焓減去流出的焓再加上能量變化率。

3.2 封堵裝置模型的簡化

封堵裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是外形比較“整齊”，有些“突出”的結(jié)構(gòu)尺寸很小，故可簡化為平面。模型簡化后可降低網(wǎng)格劃分難度，節(jié)省分析時間，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可能對流體分析產(chǎn)生不確定影響，簡化后反而有益結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖 15 為封堵裝置的簡化模型。

根據(jù)以往分析經(jīng)驗，并且考慮計算機(jī)性能來對模型進(jìn)行簡化，例如一些細(xì)小結(jié)構(gòu)的存在，會大大增加網(wǎng)格數(shù)量，不利于高效分析封堵裝備表面流場，此時可將其忽略或合并到其他組件之中。簡化后的封堵裝置外形尺寸不變，長 1 700 mm，寬 1 600 mm，兩邊支撐體單元簡化的長方體高為 86 mm，中間拖鏈連接模塊與密封布模塊簡化的長方體高為 34 mm。

3.3 封堵裝置的計算域

多數(shù)情況下封堵裝置貼合在船體外表面進(jìn)行封堵，當(dāng)船舶運(yùn)動時，封堵裝置隨之運(yùn)動。為建立一個可反映實(shí)際情形的流場模型，封堵裝置在水中的移動可轉(zhuǎn)化為水對裝置的相對運(yùn)動，即裝置靜止，水流運(yùn)動，并且封堵裝置貼合在計算域的側(cè)面上。

流場計算域一般選用長方體或圓柱體形式，本計算中選取長方體計算域，圖 16 為封堵裝置的計算域圖示。為使計算結(jié)果合理有效，封堵裝置應(yīng)放置在一個比自身稍大的區(qū)域中，封堵裝置在流體流動方向上的長度是 L = 1 700 mm。

根據(jù)經(jīng)驗，封堵裝置收到來流作用，裝置尾部流場變化較大，需使計算域中裝置后部分長度增加，最后確定從裝置后側(cè)到出口長度為 8L。為避免其他計算域壁面的影響，將入口面到裝置前側(cè)長度定為 4L。計算域的高和寬分別是 4L 和 2L[9-12]。

3.4 封堵裝置水阻力仿真

通過 UG 建立封堵裝置工作模型，導(dǎo)入到 Ansys CFD 中，首先對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式，計算域網(wǎng)格如圖 17 所示。

網(wǎng)格定義完成后，繼續(xù)對初始條件和邊界條件進(jìn)行設(shè)定。速度入口邊界條件可按式（14）和式（15）確定。

式中：L 為船舶封堵裝置長度。

通過上式得到入口湍流參數(shù)：I = 4.8%，l = 0.07 × 1 700 mm = 119 mm。其他相關(guān)設(shè)置見表 1。

3.5 封堵裝置水阻力仿真結(jié)果

封堵裝置吸附在船體表面隨之運(yùn)動，因此封堵裝置與水流的相對速度也就是船舶航速與水流的相對速度。不同用途的船舶行駛速度不同，一般行駛速度范圍是 12～35 kn之間，因此在仿真中，入口面分別選取15，20，25，30 kn 四個典型航速進(jìn)行分析。

船舶應(yīng)急封堵裝置單體在封堵時，可以選擇支撐體結(jié)構(gòu)在豎直和水平 2 個方向進(jìn)行布放，分別對 2 種封堵方式的水阻力進(jìn)行仿真，結(jié)果見表 2 和表 3。另不同放置方式下水阻力隨速度變化情況如圖 18 所示。

表 1 主要參數(shù)設(shè)置表Tab. 1 Main parameters setting

表 2 支撐體在水平方向水阻力隨流速變化圖表Tab. 2 Water resistance change with velocity on horizontal direction of support

表 3 支撐體在豎直方向水阻力隨流速變化圖表Tab. 3 Water resistance change with velocity on vertical direction of support

圖表顯示，封堵裝置隨船運(yùn)動時，速度增大，水阻力變大，最大可達(dá) 101.16 N。支撐體水平布放阻力值略小于豎直布放阻力值。水阻力的作用是使封堵裝置發(fā)生水平方向的滑動，需要“消耗”一部分摩擦力，通過摩擦力相關(guān)公式的計算可知，封堵裝置的設(shè)計滿足船舶航行下的使用條件。

圖 19 和圖 20 是最大速度下，裝置的 2 種布放方式，受力云圖對比和水線圖對比。

應(yīng)力云圖顯示，來流首先沖擊的面是封堵裝置主要受力面。當(dāng)封堵裝置豎直布放時，迎流一側(cè)支撐體是主要受力部分；當(dāng)封堵裝置水平布放時，迎流支撐體側(cè)面與拖鏈側(cè)面受到水流作用。應(yīng)力作用在裝置面上時，會產(chǎn)生傾覆力矩，支撐體面的高度要大于拖鏈高度，因此豎直布放時，支撐體受到傾覆力矩的影響較為明顯。從流線圖上看，水平布放時，封堵裝置對流線基本不產(chǎn)生影響[13-14]。

綜上可得結(jié)論：從力學(xué)角度上看，水平布放方式好于豎直方向布放；封堵裝置對船舶行駛的影響很小，可以忽略。

4 結(jié) 語

本文針對國內(nèi)外水上運(yùn)輸安全的需要，提出了高效實(shí)用的船舶破損應(yīng)急封堵裝置結(jié)構(gòu)方案，并完成封堵裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。文中重點(diǎn)對封堵裝置相關(guān)受力情況進(jìn)行研究，為精確計算提供了理論依據(jù)。文中對裝置的工況進(jìn)行了分析計算，得到了裝置受力計算方法，同時得到了破損船舶進(jìn)水量計算方法。通過船舶破口進(jìn)水量，可以求得進(jìn)水平均速度，進(jìn)而得到封堵過程中受到的沖擊力。通過對行船時裝置的仿真，得到了其受力情況[15]。

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Design of ship′s emergency plugging device and analysis of water resistance acting on it

HOU Shu-ping, ZHANG Jun, WANG Qin-zheng, LIU Xu-dong, YU Hai-yang
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

In view of the whole structure shipbreaking emergency plugging device, using UG software to establish three-dimensional model of the whole structure of sealing devices, through Ansys Workbench software tolerance of emergency plugging device structures and function structure of the important components of stress analysis, and to the whole structure is optimized based on the simulation results. Then the overall situation of devices in the cloth of water resistance in the process of calculation and simulation analysis, to determine the overall device is the best form of cloth.

hull damage；emergency plugging device；analysis of structural stress；analysis of water resistance

U676.1

A

1672 - 7619(2017)02 - 0019 - 07

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.004

2016 - 07 - 01；

2016 - 08 - 18

侯恕萍(1972 - )，女，博士，副教授，研究方向為水下作業(yè)技術(shù)與裝備。