5000立方码开体自卸驳M.S.-5的设计和发展外文翻译资料

 2022-07-27 16:45:51

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5000立方码开体自卸驳M.S.-5的设计和发展

简介

对开泥驳或者开体自卸平底船虽然在全球范围内属于疏浚行业，但是它代表着疏浚装备中独特的一部分。这种类型的船由两个独立分开的半体组成，这两个半体由主甲板上的铰链和甲板下的液压油缸连接着。半体当在液压油缸的作用下夹在一起时形成一个封闭的料斗，与此同时通过延伸液压油缸就可以打开料斗（见图1）。

设计一条对开泥驳需要以一种非同寻常的方式利用基本的海上建筑学科知识。例如：

  • 稳性是由那个很大的、开敞的料斗决定的，料斗装载着可移动的能够溢出舱口围板的货物。
  • 那些重大的水平弯曲载荷使得纵向强度很复杂，这种载荷是由装载在两个分开的船体上的挖泥船的赃物产生的，这两个船体仅仅由泥舱两端的铰链连接着。
  • 单个半体上的弯曲应力必须要细心地分析，不仅是为了表明对强度标准的遵从，也是为了使泥舱闭合时达到严格的密闭。

虽然对开泥驳已经出现很多年了，有关开体泥驳的的科技论文也很早就发表过，但是一些独特的船东和那些环境以及经济上的要求导致了一种全新的设计的发展。能够买来的先进设备，电脑上那些计算机辅助工程工具例如有限元分析软件和静水力软件都能够提高设计方法。这些工具能够使得设计者提前研究出设计方案，这很复杂以至于不能用手算来完成。

这篇论文对对开泥驳的设计发展的过程发表了一种综合的观点，论文以回顾那些功能的设计需求开头，这些需求是能够指导设计决定的。关于这种新的开体自卸驳的设计的总结介绍了它所遵循的一些用来做出设计决定的注意事项、方案、方法和工具。

功能设计需求

对这种驳船功能方面的需求来自以下三个方面：

  • 船东的需求
  • 当今疏浚行业的需求
  • 管理方面的需求

这些来自每一个方面的要求和约束通过指导一系列的设计决定为了实现一个可行的最终船体结构，与设计过程融为一体。

船东的要求

这个设计过程始于一系列理解的有依据的船东的要求，这些要求基于他们长期作为疏浚开发商的历史以及他们拥有的3000立方码的Manitowoc驳船的船队的成功经历，Manitowoc是上个世纪70年代在Gunderson/FMC建造的。随着他们船队的老化以及预知疏浚合同的重新生效，船东们着手于一个有进取心的装备采购计划。始于上个世纪80年代末期船东发起了许多参数化船舶的研究，发展了一系列从4000到7000立方码的驳船的概念设计。这个初步的工作最终使得船东们选择了5000立方码的船，它有许多新的特点解决了他们对操作方面的需要和期望。

容量——船东选择了5000立方码的容量填补了当前的空白，规划了疏浚市场。尽管1000到3000立方码的更小的容积在限制区域工作被认为是更实用的，但是装备较小一点的疏浚设备，更大容积的船在大容积、深水疏浚、通常包括更长拖曳距离的合同下能够服务地更好。

拖曳特性——由于疏浚操作期间更长拖曳的可能性，船舶的拖曳特征是一个重要的考虑事项。尽管船舶需要有那种典型的耐用建造驳船的耐久性，但它也必须具备那些重量轻、瘦长运输驳船所具有的许多特点。这些特点包括更长的耙子和高效的尾鳍来减少高速时的拖曳阻力和提高定向的稳性。

繁重耐用的建造——由于经常有船在旁边触碰以及挖泥船的铲斗与料斗来来回回地碰撞，疏浚是一个艰苦的工作。为了降低故障和减少由于破坏带来的维修，船东重点地要求比先前的船要有更重的外板、甲板和料斗镀层。除了这些关于增强的船体构件尺寸一般的指导方针外，船东特别明确地要求关于许多船舶特点的详情和重要结构：

  • 大量的支架和加强结构，垂直料斗侧面和端壁以及在那些建成的驳船上特别易于损坏的区域结构的细节设计。
  • 对铰链和油缸基础保守和证实的设计。先前的驳船在这些区域已经经历了严重的磨损，替换螺栓和重建铰链装配的维修过程是复杂的、昂贵的。
  • 干净的船体表面是为了减少泥浆的堵塞，尤其是在泥舱旁边和耙甲板上。
  • 圆形的角隅，齐平的舾装是为了减少那些容易钩住电线和破坏其他船舶的锐边的数目。

泥舱的特征——当船体合并时典型的泥舱底板斜度大约是34°。当卸泥的时候泥浆会粘在泥舱的边上，造成严重的倾斜，在有些情况下船会倾覆。船东要求泥舱底板的斜度增加到36°，这样能够完全地卸掉泥浆。

当两个半体打开时两者之间的空隙理应达到最大使得泥舱的泥浆干净的卸完。5000立方码驳船设计的目标间隙是14英尺。

疏浚行业的要求

产业的要求在近些年做了改变，大体上是对环境问题的回应。这些条款对疏浚承包商和疏浚装备强加了一些新的要求。

倾倒地点——倾倒点先前是在近海区域离岸至少20英里现在达到60英里。近海的倾卸点彻底地增加了暴露的时间，导致对更强的、适应海洋的船舶的需求。

泥浆的泄露——对于环境的考虑引起了管理者对泥浆泄露的注意。驳船的航线通常是具体详细的，它可能会很近地经过那些在环境方面敏感的区域，那些区域明确禁止有泥浆的泄露。监察机构要求船舶装有泥舱测深仪和吃水传感器来远程监控船舶是否有泄露发生。此外航拍检测泥驳尾部的泥浆轨迹成为一种更常用的方法。关于泥浆泄露的重点迫使对于泥舱打开时的设计要有严格、长久的密封。

管理部门的要求

监察机构像美国船级社和美国海岸警卫队强加了一些标准用来管理船舶的稳性，干舷的布置，尤其是对海上服务、船体局部以及弯曲强度。这些标准影响了船舶设计时所做的决策，也对最终船体的外形有着重大的影响。

设计的注意事项

一套由船东、疏浚行业和监察机构建立的明确定义的要求使他们的评价基于以下设计注意事项的影响：

  • 泥驳的外形
  • 稳性和载重线划分
  • 总纵强度
  • 结构的特点和详情

对这些设计注意事项的设计方法，工具和结果将在以下章节详细讨论。

泥驳外形

泥驳最终的外形是依据船东的要求来定义的，这些要求是用来指导一系列的船舶设计决策和权衡。

重要方面的选择——对重要方面的选择涉及到一系列的设计权衡，这些权衡将在下面讨论。虽然这些权衡没有一个对这类船舶是独一无二的，但是这些设计很容易影响到最初的要求。

  • 长的吸耙是用来提高船舶的拖曳特性，但是这些增加了船体垂向弯曲位移，因为在耙空隙间的附加浮力易于增加由于泥舱自重产生的船体中垂载荷。
  • 狭窄的船体横梁减小了要求的泥舱装载量，但增加了由于变小的水平船体梁惯性矩引起的水平船体弯曲应力。
  • 浅的船体型深减小了浅吃水时为了清理泥舱舱口围板挖泥斗应当达到的高度，但是增加了由于变小的船体梁垂向惯性矩引起的船体垂向弯曲应力。
  • 由于浅吃水减小的空船重量增加了船体浅水时的载重量，但是减少了船体梁钢料同时相应的产生了更大的船体弯曲应力。

泥舱外形——泥舱的结构首先要达到泥舱功能上要求的容积，但是它的扩展需考虑一下几点：

  • 半体的横向稳性。观念上半体的静水力能够使空的泥舱闭合，泥浆的作用力能够使闭合的泥舱开启。
  • 甲板边板的宽度。较小的宽度可以使挖泥斗够到，但是甲板边板的宽度减少量受船体梁强度和相应船级社规范的限制。
  • 泥舱舱口围板高于甲板边板的高度值。工作人员要能够靠着舱口围板边走动，舱口围板高度应不低于1米，防止工作人员掉进泥舱。
  • 泥舱的长度。较短的泥舱长度能够减小船体的弯曲位移，但是可以增大泥舱的宽度，深度或者两者都可以达到要求的量。
  • 船体中龙骨的高度。较小的船体中龙骨高度可以使货物的垂向重心高度变低，但会严重地降低船体梁的强度。
  • 泥舱的倾斜角度。泥舱底板的倾斜度影响泥舱的各个方面，尤其是泥舱的高度，货物重心的垂向高度。就像前面讨论过的，当泥舱打开时这个角度也影响到泥浆如何滑落出泥舱。

泥舱的位置——在船长范围类泥舱的纵向位置严重的影响到船舶的纵倾。泥舱位置的选择在货物装载的过程中为了使船舶有一个固定的尾倾。在轻载的时候，稍微的尾倾可使装在泥舱前端的泥浆滑到尾部，自动地分配泥舱中的泥浆。在泥舱满载的时候需要反复找到一个合适的泥舱位置，满载液货比装在固体货物会引起更大的尾倾，因为泥舱纵向很大的移动液面会产生严重的位移。这种设计可以实现满载状况下限制尾倾低于2英尺，在各种情况下适当的尾倾带来高效的拖曳。

液压油缸特性——液压油缸的特点受三个方面的影响，油缸的控制杆长度，闭合船体所需要的力以及船体打开时两个半体之间的空隙的宽度。

  • 油缸控制杆在甲板上受铰链螺栓位置的限制，要求在船底当船体闭合时螺栓要在空载水线以上。在耙处的船体深度决定了从油缸到铰链的控制杆长度。
  • 闭合船体的力决定于能否达到所有作用于船体上的力所产生的位移的平衡。在规定的油缸区域以及孔和杆的直径处要求的闭合压力为4500磅。
  • 配合于有限的控制杆空隙的宽度应达到指定的油缸冲程。

最终油缸的配置为在泥舱的两端各装一个液压油缸，每个都是有21.5英尺的孔，10.75英尺的杆和131.5英尺的冲程。

稳性和载重线划分

稳性计算和载重线划分的目的是获得稳性计算书包含操作限制的最小值尤其是在泥舱的装载没有限制的时候，同时也是为了获得允许泥舱最大装载量的载重线，这种载重线是海洋航行明确限制的。

完整稳性——对于开体泥驳完整稳性标准的要求在46 CFR 174.015中写到，包括了USCG Marine Safety Manual ,Part 6.E.5.b.(6)中对于开体泥驳的指导方针。这些标准总结如下：

完整稳性标准（46 CFR 174.015）

  • 为了海上操纵，每一种装载情况都计算15°角的复原范围到至少40°或者最大稳性力臂的对应角。
  • 在内河航行时，每种载况必须从10°到上述的范围。

装载工况的指导(USCG Marine Safety Manual ,Part 6.E.5.b.(6))

四种载况应当验算：

  1. 泥舱装载比重为2.0的液货达到载重线。货物不需要装满泥舱，这些货物当船舶横摇和纵倾的时候会溢出开敞的泥舱。
  2. 泥舱装载比重为2.0的晃动液体达到载重线时，泥舱剩余的容积要用海水填满。这种载况淹没了载重线，泥浆和海水在船舶横摇和纵倾时都会溢出来。
  3. 泥舱装满均匀的货物达到载重线。同样，在船舶横摇和纵倾时液体溢出来。
  4. 泥舱装满均匀的固体达到载重线。当船舶横摇和纵倾时固体不会流出来。

稳性分析要求研究非常复杂的容器泄露的情况，尤其是上述的第二种情况。静水力软件中的GHS模块提供了一种泄露容器的功能。然而模拟晃动货物上的晃动海水要求用一种不同的方案。用在同样位置泄露的两个容器来模拟泥舱。在一个容器里面装满比重为1.025的海水，另一个容器装有比重为0.975的液体达到同样的装载程度。这个方案实现了当容器重合时明确的2.0的比重，准确地模拟了溢出物的特点和混合液体中心的重力。

除了为计算稳性的相同的容器（图2），船舶的重量计算也出现了非同寻常的问题。因为空船重量的重心低于货物的垂向重心，通常在估算重量时增加重量余量的方法不是保守的。因此无余量的重量估算产生了，在上述讨论的情况下那些正的负的重力余量被论证是应当遵从的。

有趣的是尽管有大量的自由表面和相应的液货重力大的位移，状况4被证实是最糟糕的稳性状况。这种泥舱的结构在静稳性力臂减小之前会溢出大量的液货。

载重线划分——在先前的惯例中，开体泥驳被授予是B类型的干舷相对于离岸20英里的范围内倾倒泥浆的典型惯例已有25%的减少量。由于迫使一些倾卸点远离海岸的新规定的出现，B类干舷船要求有不受限的载重线。因为这类船可能在离岸英里的海域内航行更长的时间，这类船应分配两种载重线。第一种是泥舱最大程度的装载在近海航行时在B-25%干舷处，另一种是近海的船舶装有少量货物时在B干舷处。

纵向强度

由于分开的船体和不对称的半体，开体泥驳的纵向强度的计算是复杂的。同样地，对于对称船舶的纵向强度有强度规范，但不能直接用于非对称船舶。因此设计者被迫使用非标准的纵向强度计算。

计算——泥舱的布置沿着泥舱的长度方向产生了一种不平衡的水平载荷，这是由于作用于泥舱舱壁的货物水平载荷超过作用在船体外板上的静水力载荷引起的。这种不平衡的货物荷载往往使每半船体向外弯曲，迫使考虑水平的船体纵梁弯曲，同时也要考虑标准的垂直船体弯曲。纵向强度计算由于每半船体的不对称性而变得更加复杂，它倾向于将主要的惯性平面与船的水平和垂直的平面保持一致。对于开体泥驳用于建立纵向弯曲应力标准的手工计算方法的细节详细记录在[1]中，现概述如下：

  • 计算完整的部分属性包括半体惯性的向量积和确定主惯性平面。
  • 使用重力和浮力纵向整合的标准来计算垂直静态和波浪诱导弯矩。
  • 通过结合船体外的水与泥舱中的货物的水平力的不同来计算横向静态和波浪诱

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