袁元濤

摘 要：以提高浮船塢運行效率為前提，針對浮船塢抱樁系泊裝置結(jié)構(gòu)展開分析。介紹浮船塢抱樁系泊裝置結(jié)構(gòu)，并對其展開受力分析，最后從優(yōu)化設(shè)計思路及方法、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計兩個方面闡述結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以期能夠設(shè)計最佳抱樁系泊裝置結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)浮船塢的有效運行。

關(guān)鍵詞：浮船塢;抱樁系泊裝置;船舶建造;沉船打撈

中圖分類號：U656? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）10-0069-02

浮船塢是船舶建造領(lǐng)域的一種工程船舶，可以用于船舶修建、沉船打撈、深水船舶運輸?shù)?。最初修建浮船塢的目的和干船塢相同，即船舶水下部分、推進器、舵等裝置的檢修，船舶水上部分、船舶機械裝置也可以及時進行維修養(yǎng)護。如果浮船塢處于泊碇狀態(tài)受到水流力、風力等的沖擊，可能無法維持正常運行，為了解決該問題需要設(shè)計系泊裝置。通常浮船塢泊碇包括錨泊泊碇、抱樁泊碇這兩種形式，相比之下抱樁泊旋對于附近水域的影響較小，浮船塢平面位置維持不變，為岸塢設(shè)備運輸提供便利條件。浮船塢抱樁泊碇裝置中有導柱、卡環(huán)這兩個裝置，導柱、卡環(huán)二者帶有配合關(guān)系，這樣一來使導柱結(jié)構(gòu)尺寸成為卡環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要影響因素。所以，浮船塢抱樁系泊裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計非常關(guān)鍵。

1 浮船塢抱樁系泊裝置結(jié)構(gòu)與方式

浮船塢采用抱樁形式泊碇，抱樁裝置由卡環(huán)和導柱組成，卡環(huán)設(shè)于水工建筑上，導柱設(shè)于塢墻外壁上。導柱上基座上表面和塢頂甲板齊平，導柱下基座固定于下基座底座上。下基座下表面高于塢基線600mm。全船共設(shè)二套抱樁裝置，設(shè)于浮塢左塢墻外側(cè)。

浮船塢抱樁系泊裝置結(jié)構(gòu)主要有兩種：第一，兩根導柱設(shè)于塢體式結(jié)構(gòu)。抱樁系泊裝置包括導柱、卡環(huán)，浮船塢側(cè)面塢墻設(shè)置兩根導柱，并且將卡環(huán)固定于系均壤之上，卡環(huán)內(nèi)圈使用合金塑料，其作用在于緩沖、抗磨損;第二，兩個卡環(huán)設(shè)于塢體式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)模式主要是在浮船塢側(cè)面塢墻上安裝卡環(huán)，導柱固定于系塢墩;第三，導槽式結(jié)構(gòu)。導槽式結(jié)構(gòu)是導柱的一種變形形式，系泊導槽設(shè)置于浮船均側(cè)面塢墻，可以取代導柱，導槽內(nèi)壁設(shè)置了鑄鋼滑板，中間留有一定縫隙支持滑板、橫桿連接，橫桿其中一端被固定在系塢壤。利用導槽內(nèi)部滑板的滑動，浮船塢可以順利實現(xiàn)升沉運動[1]。

2 抱樁系泊裝置受力分析

2.1抱樁泊碇外力

（1）風力。浮船塢抱樁處于泊碇狀態(tài)時，要想躲避風力將工作海域轉(zhuǎn)移，或者使浮船塢受風方向發(fā)生改變難度較大[2]。因此，在浮船塢運營期間有可能會受到工作海域風力影響。如果不能保證暴風發(fā)生過程中浮船塢的塢內(nèi)無船，需要將抬船工況當作浮船塢計算工況，若相反則能夠?qū)⒖諌]狀態(tài)當作計算工況。

（2）水流力。浮船塢處于泊旋狀態(tài)下附近水域的水流為順流。

（3）波浪力。波浪本身會對浮船塢抱柱泊碇裝置有一定的作用，也可以作用于水上固定建筑物。直立墻面上波浪會形成反射，如果水面達到一定深入，向浮船塢提供垂直作用的波浪會在浮船塢的塢墻上形成反射，從而得到立波。

2.2浮船塢抱樁泊碇計算工況

浮船塢計算工況主要有臺風工況、最大沉深工況、抬船工況等幾種，因為在最大沉深況、抬船工況，且風力小于6級的條件下，浮船塢波浪力、風力與臺風工況相比前者較小，所以受力分析也是以臺風工況的計算為主[3]。

2.3浮船塢抱樁泊碇外力

按照抱樁泊碇抱樁設(shè)計規(guī)范，針對專家提出的評審建議進行審核，風載荷、波浪載荷計算需要按照如下數(shù)據(jù)展開：

（1）風載荷。50年一遇NW向，風速為30m/s;

（2）波浪參數(shù)。50年一遇NE向，波浪的波壓力計算需要以如下數(shù)據(jù)為依據(jù)展開計算：小風區(qū)波浪H1%=1.6m，T=4s，外海傳入波浪H1%=0.9m，T=7.6s，波浪載荷計算選取計算較大值[4]。

3 浮船塢抱樁系泊裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

3.1優(yōu)化設(shè)計步驟

因為導柱受到的外力均是向?qū)е獍迨┘?，外力在導柱外板的作用下向?qū)е械钠溆鄻?gòu)件傳遞，所以結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中，主要是將導柱直徑、導柱外板厚度當作核心設(shè)計變量[5]。導柱直徑、導柱外板板厚屬于離散型變量范疇。導柱直徑變化量設(shè)置為100mm，導柱外板板厚的變化量設(shè)置為2mm。同時，導柱中部受力組主要是浮船塢在最危險受力工況的基礎(chǔ)上導柱受到的外力作用。

當導柱直徑、導柱外板厚度變化范圍確定之后，設(shè)計人員需要將參數(shù)值輸入到VB.NET參數(shù)化建模平臺當中，輸入完畢點擊生成命令獲得APDL命令流文件，通過ANSYS計算功能讀取APDL命令流文件，構(gòu)建有限元模型。隨后將完成構(gòu)建的有限元模型文件打開，向其施加外載荷，并且明確邊界條件，通過計算獲得導柱模型質(zhì)量，分析之后對所有受力下應力規(guī)范性進行檢查，確定其符合許用應力值規(guī)定之后對比模型重量，選擇最輕的模型，選擇模型結(jié)構(gòu)所有參數(shù)值便是最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，以此獲得結(jié)構(gòu)設(shè)計的最佳方案。

3.2 導柱基座強度校核

（1）基座反力

式中：a值在抬船工況高潮位時=1.75m，最大，但支座A處的總應力中，所引起的彎矩應力數(shù)值大，因此在a=3.075m，雖小，但總應力反而大（分析計算略），故a取為3.075。

上支座反力其最大值應在抬船工況低潮位時a最大時（a=7.59m）有最大值，很明顯<，而上下支座的支承情況相同，故以最大受力狀況（由前計算>）僅校核下支座。

（2）支座及導柱重力

力作用點至塢墻距離LC：2.4m

3.3載荷計算

浮船塢處于最危險受力工況下導柱縱向的載荷是1300t，橫向載荷即為1600t。在外力作用下導柱的力向外板半個圓周面施加分散力，隨后加載模型的過程中，導柱承受壓力通過擬合成為正弦曲線分布要求模式，載荷則按照模型需求對面單元數(shù)進行加載，并且分解面單元導柱圓周面中角度、面單元面積，確保擬合導柱受力準確性。計算結(jié)束后利用GUI操作List>Results>Nodal loads>All struc fore F的方式檢查不同軸方向合力，確保載荷方向與大小的準確性。

3.4計算結(jié)果對比與分析

（1）當導柱直徑為2000mm時，導柱外板厚度、計算載況不同，與之相應的最大等效應力值也存在差異，具體見表1。

（2）當導柱直徑為2200mm時，導柱外板厚度、計算載況相應的最大等效應力值見表2。

（3）當導柱直徑為2400mm時，導柱外板厚度、計算載況相應的最大等效應力值見表3。

通過表1～表3數(shù)據(jù)可知，導柱直徑為2000mm，板厚T<44mm時，導柱模型的應力與許用值規(guī)定不符，當導柱直徑為2200mm，板厚T<40mm時，導柱模型應力與許用值規(guī)定不符，導柱直徑為2400mm，板厚T<38mm時，導柱模型應力與許用值規(guī)定不符。為此需要優(yōu)化模型重量，從之前的94.577t優(yōu)化為93.345t，因為導柱直徑減小，所以活動卡環(huán)、固定卡環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的過程中尺寸同樣會隨之減小，從而達到減輕結(jié)構(gòu)重量的目的。

4 結(jié)束語

綜上所述，浮船塢抱樁系泊裝置進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，期間需要明確常見結(jié)構(gòu)，了解裝置受力情況，采用合適的優(yōu)化設(shè)計方法。一方面能夠使抱樁系泊裝置更加高效的運行，另一方面則能夠為浮船塢作用的發(fā)揮提供條件。今后開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作，需要調(diào)整設(shè)計變量數(shù)量，比如導柱與上下基座的高度，使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計更加深入。

參考文獻：

[1]張小博.5000TCL浮船塢內(nèi)裝設(shè)計分析[J].科學技術(shù)創(chuàng)新，2019（20）：22-23.

[2]張平.大型浮船塢水上加寬改裝技術(shù)研究[J].船舶標準化工程師，2019，52（02）：56-58+65.

[3]張士天，邵國伍，嚴成麟.浮船塢抱樁區(qū)域塢墻結(jié)構(gòu)強度評估[J].江蘇船舶，2019，36（01）：15-17.

[4]管官，年繼業(yè)，楊蕖.基于FLUENT的浮船塢抱樁泊碇受力仿真[J].船舶標準化與質(zhì)量，2018（01）：38-41.

[5]劉燕星，陳曉明，江峰.浮船塢抱樁泊碇靠船墩結(jié)構(gòu)強度分析[J].廣東造船，2017，36（06）：25-27.