張曉瑩，扈 喆，林國(guó)珍，朱兆一，陳清林

（集美大學(xué) 福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021）

0 引 言

游覽艇為濱海、河流和湖泊旅游景區(qū)必備的運(yùn)輸工具，用于游客開展水上觀光、垂釣等娛樂(lè)休閑活動(dòng)。廣義上說(shuō)，游覽艇是游艇的一種。目前游艇和郵輪行業(yè)已被船舶界公認(rèn)為具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男袠I(yè)，近年來(lái)國(guó)家對(duì)游艇的發(fā)展給予了巨大支持。盡管游艇的最終定位是成為大眾化消費(fèi)品[1]，但我國(guó)當(dāng)前的人均收入還不足以承擔(dān)此項(xiàng)費(fèi)用，加之相關(guān)管理政策和國(guó)人的海洋文化理念相對(duì)滯后[2]，可預(yù)見短期內(nèi)游艇不會(huì)得到普及[3]。在該環(huán)境下，景區(qū)游艇觀光作為一種傳統(tǒng)、有效的過(guò)渡形式得到推崇[4]。

然而，在游艇業(yè)拓寬至景區(qū)旅游觀光的過(guò)程中存在運(yùn)輸問(wèn)題。許多旅游景區(qū)（如湖泊、水庫(kù)）位于內(nèi)陸，其運(yùn)輸渠道往往是復(fù)雜多變的山路。傳統(tǒng)大型游艇的加工成形多在廠房中進(jìn)行[5-6]，此類游艇的整體運(yùn)輸存在巨大困難，一方面存在運(yùn)輸損壞風(fēng)險(xiǎn)，另一方面可能導(dǎo)致成本大幅增加。相比私人游艇，景區(qū)游覽艇的使用率較高，考慮到景區(qū)環(huán)境復(fù)雜及人工操作不規(guī)范等因素，可預(yù)見景區(qū)游覽艇有較強(qiáng)的維護(hù)需求?，F(xiàn)有的整體化設(shè)計(jì)建造方式不利于降低游覽艇維護(hù)成本，對(duì)于交通條件惡劣的景區(qū)，整艇返廠維修勢(shì)必涉及運(yùn)輸問(wèn)題，進(jìn)一步增加維護(hù)成本。

現(xiàn)場(chǎng)拼接式游覽艇的船體分段在工廠建造之后，運(yùn)輸至景區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼接，可有效解決整體運(yùn)輸帶來(lái)的成本增加問(wèn)題，有望在山地景區(qū)被大量采用。拼接結(jié)構(gòu)的形式與布置是否合理是決定游覽艇設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。拼接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮運(yùn)輸?shù)姆奖阈?、現(xiàn)場(chǎng)拼接的可操作性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本文采用螺栓連接形式設(shè)計(jì)主船體與連接橋的拼接結(jié)構(gòu)，采用水動(dòng)力分析雙體船載荷，并計(jì)算校核螺栓的強(qiáng)度；同時(shí)，采用有限元計(jì)算校核連接位置處結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。校核結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)符合相關(guān)要求。

1 現(xiàn)場(chǎng)拼接式游覽艇簡(jiǎn)介

該現(xiàn)場(chǎng)拼接式游覽艇用來(lái)在湖泊、水庫(kù)等地短途載運(yùn)游客游覽，具有視野開闊、安全、舒適的特點(diǎn)，建造成本低，使用方便。該船具體的特征為：

1) 主體材料采用玻璃鋼，重量輕，外觀清潔美觀；

2) 采用雙體型，甲板面積開闊，載重量大，穩(wěn)性好，操縱靈活，安全性好；

3) 連接橋采用工字鋼，在保證強(qiáng)度的同時(shí)可降低成本。

該船的主體設(shè)計(jì)基于《內(nèi)河小型船舶檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》[7]（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)則》）開展，其主尺度見表1，總布置圖見圖1。

表1 設(shè)計(jì)主要參數(shù)

圖1 現(xiàn)場(chǎng)拼接式游覽艇總布置圖

二片體為完全對(duì)稱的形狀，片體采用橫骨架式，單片體共設(shè)5道水密艙壁。為節(jié)約玻璃鋼材料，降低成本，該船的主體采用甲板大開口型設(shè)計(jì)，即主甲板除艏艉艙密封以外，其余部分均采用敞開式設(shè)計(jì)，艙口蓋板采用木質(zhì)艙口蓋與水密防水布的組合形式。為保證船舶的安全性和穩(wěn)定性，片體空艙內(nèi)填充不吸水的封閉型發(fā)泡塑料。圖2為該船主體結(jié)構(gòu)示意。

圖2 主體結(jié)構(gòu)示意

2 螺栓連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 拼接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

二片體采用玻璃鋼材料，為保證其質(zhì)量，宜在船廠加工成型，不宜在現(xiàn)場(chǎng)制造。連接橋（如圖2所示）由標(biāo)準(zhǔn)的工字鋼型材組成。工字鋼可在船廠加工成相應(yīng)的形狀之后，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)焊接成整體連接橋。上層建筑主要包括雨棚、欄桿、座位和地板等，均可在船廠加工完成之后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)拼接組裝，并采用焊接方式連接至連接橋。

2.2 螺栓連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為方便現(xiàn)場(chǎng)拼接和后期拆卸維修，工字鋼框架與玻璃鋼船體采用螺栓連接。該連接形式基本采用《纖維增強(qiáng)塑料船建造規(guī)范》[8]中第4章第4節(jié)“連接”推薦的形式及附錄A（結(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)則）推薦的形式。為實(shí)現(xiàn)鋼框架與主船體的連接，在主船體實(shí)現(xiàn)甲板與橫艙壁連接（見文獻(xiàn)[8]中A4.1各圖）的基礎(chǔ)上，再用文獻(xiàn)[8]中A6.2(2)的連接方式（此時(shí)將“支柱”視為工字鋼）。

圖3為玻璃鋼雙體與工字鋼連接橋梁架連接螺栓布置示意。在圖3中，每隔250mm設(shè)置一對(duì)M16型號(hào)連接螺栓，共500個(gè)。圖4為工字鋼框架與玻璃鋼主船體連接示意。為避免局部應(yīng)力集中和方便施工，在連接位置處增設(shè)耳板，焊接于工字鋼翼板兩側(cè)。螺栓連接點(diǎn)布置于耳板上，可有效增大螺栓間的距離和螺栓與強(qiáng)桁材間的距離。

圖3 玻璃鋼雙體與工字鋼連接橋梁架連接螺栓布置示意

3 螺栓連接結(jié)構(gòu)直接強(qiáng)度校核

基于《纖維增強(qiáng)塑料船建造規(guī)范》[8]第2章第15節(jié)，應(yīng)用直接計(jì)算法校核螺栓連接雙體船局部強(qiáng)度。由于本文僅考慮螺栓及螺栓孔附近結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，因此采用局部建模并確定螺栓載荷的方式進(jìn)行計(jì)算分析。參考《纖維增強(qiáng)塑料船建造規(guī)范》第2章第15節(jié)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行建模、設(shè)定邊界條件、加載和校核評(píng)估。采用水動(dòng)力分析軟件DNV.SESAM直接計(jì)算螺栓組所在水平截面的波浪載荷，在疊加靜水載荷之后得到總載荷。螺栓組所在水平截面的載荷實(shí)際由螺栓承擔(dān)，將截面載荷換算成螺栓載荷之后即可采用通用有限元軟件MSC.Patran/Nastran進(jìn)行強(qiáng)度分析。

圖4 工字鋼框架與玻璃鋼主船體連接示意

3.1 計(jì)算工況

本文考慮滿載和空載2種裝載工況（見表2）。

表2 裝載工況

2種裝載工況各含4種載荷組合工況，分別為：

1) 工況LCx+y+，螺栓最大X剪力（正向）+螺栓最大Y剪力（正向）+螺栓最大Z拉力（負(fù)向）；

2) 工況LCx-y-，螺栓最大X剪力（負(fù)向）+螺栓最大Y剪力（負(fù)向）+螺栓最大Z拉力（負(fù)向）；

3) 工況LCx+y-，螺栓最大X剪力（正向）+螺栓最大Y剪力（負(fù)向）+螺栓最大Z拉力（負(fù)向）；

4) 工況LCx-y+，螺栓最大X剪力（負(fù)向）+螺栓最大Y剪力（正向）+螺栓最大Z拉力（負(fù)向）。

3.2 載荷計(jì)算

采用DNV.SESAM軟件分析連接螺栓組所在平面的波浪載荷。采用Patran_pre軟件建立船體外板濕表面模型（見圖5）。濕表面網(wǎng)格共1948個(gè)，平均網(wǎng)格邊長(zhǎng)為250mm，肋位間網(wǎng)格數(shù)為2～3個(gè)。采用Patran_pre軟件建立船體質(zhì)量模型（見圖6）。船體外板、甲板和縱桁等采用shell單元，連接橋工字鋼和上層棚子支架等采用beam單元，船上設(shè)備、驅(qū)動(dòng)掛機(jī)、座椅和人員等采用質(zhì)量點(diǎn)。建好之后的模型的總質(zhì)量與實(shí)船質(zhì)量相差0.3%。該船的工作水域?yàn)槠骄彿忾]水域，最大水深為30m，依據(jù)規(guī)范，按C級(jí)航區(qū)計(jì)算，目標(biāo)波高取0.5m。浪向劃分0°～180°，間隔15°。該船長(zhǎng)約15m，波長(zhǎng)15m對(duì)應(yīng)波浪周期為3.1s，故分析波浪周期范圍為0.2～7.0s，間隔0.2s。采用尼古拉耶夫經(jīng)驗(yàn)公式估算橫搖阻尼系數(shù)。

在生成濕表面模型及質(zhì)量模型之后導(dǎo)入HydroD模塊。采用WADAM模塊計(jì)算螺栓組所在截面波浪載荷，結(jié)果見表3。

圖5 雙體玻璃鋼景區(qū)游覽船濕表面模型示意

圖6 雙體玻璃鋼景區(qū)游覽船質(zhì)量模型示意

表3 各工況最大波浪載荷

參考絞車支座螺栓載荷計(jì)算方法計(jì)算連接螺栓所受載荷，由于波浪載荷呈周期性，為保守起見，這里采用最大的載荷組合形式，即載荷各成分符號(hào)相同。螺栓軸載荷的計(jì)算式為

式(1)～式(3)中：XiR 、YiR 和ZiR 分別為第i個(gè)螺栓所受的X向剪力、Y向剪力及Z向拉力；ZXYI I I= + ；ix和iy分別為第i個(gè)螺栓相對(duì)螺栓組形心的X坐標(biāo)及Y坐標(biāo)；iA為第i個(gè)螺栓的橫截面積；N為螺栓總個(gè)數(shù)。

3.3 有限元模型

坐標(biāo)系統(tǒng)采用右手坐標(biāo)系：x軸沿縱向，以船首為正方向；y軸沿橫向，以左舷為正方向；z軸沿型深方向，以向上為正方向。建模范圍為玻璃鋼體與連接橋連接局部位置，縱向跨度為3道強(qiáng)框架，橫向范圍為甲板開口處至舷側(cè)。該船典型螺栓連接節(jié)點(diǎn)有2種形式，分別位于連接橋與玻璃鋼體外舷和內(nèi)舷的連接處。2種連接節(jié)點(diǎn)示意如圖4所示，有限元模型見圖7和圖8。由于螺栓孔處尺寸較小，與板厚相當(dāng)，故采用體單元建模。體單元邊長(zhǎng)取8～10mm。采用多點(diǎn)約束模擬螺栓載荷。在模型與船體強(qiáng)構(gòu)件連接處設(shè)X、Y和Z等3項(xiàng)位移與轉(zhuǎn)角約束（見圖9）。

圖7 連接節(jié)點(diǎn)1有限元模型示意

圖8 連接節(jié)點(diǎn)2有限元模型示意

圖9 連接節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2有限元模型約束示意

連接處采用玻璃鋼材料。為保守起見，參考《材料與焊接規(guī)范》[9]中接受的最低材料標(biāo)準(zhǔn)，選取短切氈增強(qiáng)的玻璃鋼層板。連接橋材料為普通Q235碳鋼。玻璃鋼材料屬性見表4。

表4 玻璃鋼材料屬性 單位：N/mm2

3.4 螺栓強(qiáng)度校核結(jié)果

采用普通3.6級(jí)國(guó)標(biāo)粗牙M16螺栓，螺栓極限強(qiáng)度計(jì)算式為

式(4)和式(5)中：TR和SR分別為螺栓的拉伸及剪切極限強(qiáng)度；Sσ為螺栓屈服極限；S為螺栓有效截面積。采用式(1)～式(3)計(jì)算螺栓載荷，各工況最大螺栓載荷見表5。

表5 各工況最大螺栓載荷 單位：N

最大螺栓載荷遠(yuǎn)小于螺栓極限強(qiáng)度，螺栓安全性足夠。

3.5 螺栓孔附近強(qiáng)度校核結(jié)果

將表5中的最大螺栓載荷施加在節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的有限元模型上，可得該船連接螺栓孔附近結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核結(jié)果見表6。典型工況應(yīng)力云圖見圖10。計(jì)算結(jié)果表明，螺栓孔處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖10 節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2典型工況（LCx+y+）螺栓孔附近結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)拼接式游覽艇連接結(jié)構(gòu)?？紤]到拆裝結(jié)構(gòu)運(yùn)輸?shù)姆奖阈约艾F(xiàn)場(chǎng)施工的可行性，將整艇分為玻璃鋼片體（2個(gè)）、連接橋和上層結(jié)構(gòu)等3部分，其中玻璃鋼片體在船廠加工成型。船廠加工標(biāo)準(zhǔn)工字鋼與上層建筑構(gòu)件，將其運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)之后焊接成連接橋和上層結(jié)構(gòu)。玻璃鋼片體和連接橋結(jié)構(gòu)采用螺栓連接，并對(duì)局部鋪層進(jìn)行加厚。采用DNV.SESAM軟件分析波浪載荷，并結(jié)合MSC.Patran/Nastran軟件計(jì)算螺栓連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果表明，螺栓及螺栓孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足相關(guān)規(guī)范要求，并留有一定的安全裕度。