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M.S.-5:5000立方米开体自卸驳的设计与改进

John L. R. Edgar, Ⅲ; William L. Hurley, Jr.

Marine Technology and SNAME News; Jan 1996; 33, 1; ABI/INFORM Collection

pg.69

引言

开体驳船，或称自卸驳船，在世界范围内被广泛用于清淤疏浚作业，是疏浚行业中独一无二的一类型船。这种类型的船舶是由由水平的主甲板和下方的大型液压缸用铰链链接着的两个独立的半体组成的。当液压缸一起关闭时，半体形成封闭的漏斗，并且同时漏斗允许通过延伸液压缸而打开。（如图1）

图1 开体驳船部分

开体式驳船的设计需要以不寻常的方式利用海军建筑学科基础。例如：

bull;稳定性特征由大的开放式漏斗主导，承载可能溢出舱口的液体货物。

bull;纵向强度由于作用在仅由漏斗端部的铰链连接的两个分离的船体上，使疏浚污泥施加的水平弯曲载荷变得显著得复杂。

bull;必须仔细分析独立半体的弯曲应力，不仅要证明符合强度标准，而且要在封闭时实现严密的密封。

虽然开体式驳船已经存在多年，而且以前已经有技术论文，但独特的船东，环境和经济要求已经导致了新设计的开发。经济实惠的台式电脑辅助工程工具如有限元分析和静水压软件的进步已经有了一些设计方法。这些工具使设计人员能够调查以前认为过于复杂的设计方案。

本文介绍了设计开发的过程，首先回顾了指导设计的功能设计要求。提出了用于制定这些设计决策的考虑因素，方式，方法和工具，其次是这种新型开体卸载船的设计总结。

功能设计要求

这艘驳船的功能要求来自三个方面：

bull;船东的要求

bull;当前疏浚行业的要求

bull;一般要求

通过指导一系列设计决策以实现可行的最终船体构造，将这些方面中的每一个要求和约束集成到设计过程中。

船东的要求

这个设计过程始于一个全面而有根据的船东要求的系列，基于他们作为疏浚承包商的悠久历史，以及他们在20世纪70年代在Gunderson / FMC建造的Manitowoc 3000立方米驳船舰队的成功经验。随着船队老化和疏浚合同的预期复苏，他们开始了一个积极的设备采购计划。从20世纪80年代末开始，船东就开展了一系列参数化船舶研究，并开发了一系列概念设计，规模从4000到7000立方米。这一初步工作最终导致了5000立方米船的选择，并提供了各种新功能来满足其业务需求。

能力——所有者选择了5000立方米的容量来填补目前和预计的疏浚市场的空白。虽然1000到3000立方米这些较小的尺寸被认为对于在限制区域工作和使用较小的疏浚设备方面更有用，但是较大容量的船能够更好地服务于通常包括较长牵引距离的深水疏浚。

牵引特性——由于疏浚作业中长拖缆的潜力较大，船舶牵引特性是重要的考虑因素。虽然船舶需要具有典型的重型建筑驳船的耐久性，但也必须具有许多仅在轻型，精细形式的运输驳船中发现的特征。这些功能包括更长的耙子和高效的铲斗以减少拖曳阻力，并在更高的速度下提高方向稳定性。

重型、耐用的施工——疏浚是粗糙的工作，而且会有船舶以及漏斗内部和周围的疏浚铲斗的碰撞。为了尽量减少停机时间并减少因损坏造成的维修，船东要求在以前的船只中找到更好的船壳，甲板和漏斗电镀。除了关于增加尺寸的这些一般准则之外，业主专门要求对于许多船舶特征要求有特别大型的结构和不寻常的细节：

bull;垂直料斗侧和端壁的广泛包围，加固和结构细节，特别容易对现有驳船造成损坏的区域。

bull;保守，经过验证的铰链和气缸基座的设计。以前的驳船在这些地方经历了重大磨损，维修更换或重建铰链组件是复杂和昂贵的。

bull;清洁外部船体表面，以尽量减少滞留泥浆的数量，特别是在料斗和耙盘周围。圆形，密封的料斗围拢和陡峭的耙甲板外倾是这个要求的结果。

bull;圆角，齐平配件和大锥度，以减少可能碰到运行电线并损坏其他容器的锋利边缘的数量。

漏斗特性——典型的漏斗舱壁斜坡在船体关闭时大约34度。粘性疏浚屑可能会在倾倒时挂在漏斗的一侧，造成极度的角度倾斜，并且在多种情况下会翻倒。船东要求漏斗舱壁斜坡增加到36度，以帮助完全清理漏斗。

两个半体之间打开时的间隙，决定了可以从漏斗中卸下的货物的最大尺寸。这艘5000立方米的目标是建造一个14英寸的开口。

疏浚行业的要求

行业要求近年来发生了变化，一般是针对环境问题。这些要求对疏浚承包商及其设备施加了新的要求。

卸货位置——原先位于海上20英里海岸限制范围内的卸货位置可能会变成海上高达60英里。离岸倾倒场地大大增加了露天时间，并且导致对海洋船只更高的要求。

疏浚污物泄漏——环境考虑已经引起监管机构对疏浚污物泄漏的注意。通常详细规定的驳船路线可能会靠近环境敏感区域，这些地区需要保证污物不会从驳船中泄漏。监管机构正在要求料斗探测器和船只通风传感器，以允许远程监测驳船以确定是否发生泄漏。此外，检查驳船尾迹变得越来越普遍。防止渗漏的这个新的重点强化了在漏斗分流周围的设计，耐用的密封设计，以及加载时对船体梁弯曲响应的仔细分析。

监管机构要求

在这种情况下，美国海事局（ABS）和美国海岸警卫队的管理机构规定了驳船稳定性，干舷，特别是海洋船舶的弯曲强度的标准。这些标准影响对船舶的设计决策，并对船舶的最终配置产生重大影响。

设计考虑

船东，疏浚行业和监管机构建立的一套明确的要求可以评估其对以下设计考虑的影响：

bull;驳船配置

bull;稳定性和载重线分配

bull;纵向强度

bull;结构特征和细节

以下部分详细讨论了这些设计注意事项的设计方法，工具和结果。

驳船配置

最终的驳船配置是通过使用所有者要求来定义一系列设计决策和权衡。

主要要素的选择——主要要素的选择涉及到一系列设计权衡，这将在下面讨论。虽然这些权衡都不是这艘船的独特之处，但是所产生的决定对初始要求非常敏感。

bull;长耙用于改善船体牵引特性，但这些都增加了船体的垂向弯矩，因为耙孔中增加的浮力有助于增加漏斗自重所引起的下垂载荷。

bull;由于水平船体梁惯性矩的降低，狭窄的船体梁减少了所需的疏浚铲斗到达装载料斗的需求，但增加了水平船体弯曲应力。

bull;浅吃水船降低了疏浚铲斗必须达到的高度，以便轻型起重机清除料斗，但由于垂直船体梁惯性矩的降低，垂直船体弯曲应力增加。

bull;减轻轻型船舶的重量，能减轻浅水中的载重能力，但会提供较少的船体梁钢，并产生较高的船体弯曲应力。

料斗配置——料斗配置主要是所需料斗的体积，但设计必须考虑：

bull;单船横向稳定性。理想情况下，半船体上的静水力倾向于使空料斗保持关闭，并且货物力将使装载的料斗打开。

bull;侧甲板的宽度。减小的宽度允许更短的挖泥斗到达，但是宽度减小受到船体梁强度和人员准入要求的限制。

bull;侧甲板上方的料斗侧围板高度。操作人员应能够沿着料斗侧行走至少一米高的绞盘，以防止落入料斗。

bull;料斗长度。较短的料斗长度减小了船体弯矩，但倾向于增加料斗宽度，深度或两者以达到所需的体积。

bull;中心垂直龙骨深度（CVK）。减小的CVK高度使货物的垂直重心（VCG）保持较低，但显著降低了船体梁强度。

bull;料斗斜角。料斗底板的斜坡影响料斗尺寸，特别是高度，因此影响货物VCG。如前所述，该角度还会影响疏通材料打开时如何滑出料斗的方式。

料斗位置——大料斗在船体体积内的纵向放置显著影响船舶装饰。放置料斗的目的是在装载作业中实现相当恒定的后部装饰（每200英尺长度约1英尺）。在轻微的条件下，轻微的后部缩减允许装载在料斗前端的疏浚污物向后滑动，将疏浚废料自动分配在料斗中。满载情况需要一些迭代才能找到合适的料斗位置，由于由料斗的大的纵向自由表面引起的重大转移时，全部负载的液体污物比完全负载的固体材料引起更多的后部缩减。这种设计已经实现了满载条件，将后挡板限制在小于2英尺，同时在所有条件下提供了一些后挡板用于高效牵引。

液压缸特性——气缸特性受三个相关项目的影响，气缸的杠杆臂，关闭船体所需的力以及打开时船体之间的宽度。

bull;当船体关闭时，气缸杆通过铰链销位置限制在甲板上，并且在底部限制在低水位线上。因此，耙子中的船体深度决定了从气缸到铰链的杠杆。

bull;关闭船体所需的力通过获得作用在半船身上的所有力的力矩平衡来确定。目标关闭压力决定了所需的气缸面积，从而确定了孔和杆的直径。

bull;清晰的宽度与可用的杠杆臂一起决定了气缸中所需的行程。

最终的圆筒在料斗的每一端采用两个圆柱体，每个具有21.5英寸孔径，10.75英寸直径的杆，总冲程为131.5英寸。

稳定性和载重线分配

稳定性计算和载重线分配的目标是获得一个包含最小操作限制（特别是没有货物装载限制）的稳定性，并获得允许运载最大量货物的载重线，仅受航程限制的影响。

完整的稳定性——开放料斗驳船所需的完整稳定性标准由46 CFR 174.015建立，并将准则纳入USCG海洋安全手册第6.E.5.b.（6）节，开放式驳船驳船。这些标准总结如下：

完整的稳定性标准（46 CFR 174.015）

对于海洋作业，装载的每个条件必须在40度或最大右臂角度中至少显示15.0平方英尺的平整面积

对于内陆运营，每种装载条件必须将10.0平方英尺的正确面积显示在相同的极限值。

装载条件指南（USCG Marine Safety Manual，Part 6.E.5.b.（6））

要检查四个装载条件：

1.料斗用比重为2.0的液体货物装载到载重线上。当容器后方或缩减时，该负载不一定填充料斗并从开放料斗溢出。

2.将料斗装载到载货线上，溢流液体货物（2.0比重装载到装载线），海水（比重1.025）填充剩余料斗体积。该负载情况会淹没负载线，并且随着容器后方或缩减，货物和海水都会溢出。

3.料斗上装有均匀的液体，在装载线上装入料斗（比重调节到达到这个条件）。再次，当容器后方或缩减时，这种液体溢出。

4.料斗装载均匀的固体，在装载线上填充料斗。固体不会随着船舶后方缩减而溢出。

稳定性分析，特别是上述条件2，需要调查相对复杂的溢油罐状况。通用静液压（GHS）软件套件提供溢油槽功能，然而，在溢出货物顶部溢出海水的建模需要采用不同的方法。料斗被建模为两个重合的罐在同一点溢出。通过以1.025比重填充一个充满海水的料斗罐，第二个重合罐可以用比重为0.975的液体加载到所需的水平（在负载条件1中确定）。当坦克的体积“重叠”时，该方法可以实现2.0的比重，准确地模拟复合液体的溢出特性和重量中心。

除了用于稳定性计算的重合罐方法（图2）之外，该船的重量计算存在一个不寻常的问题。由于轻型船重量中心远远低于货物VCG，通常的加权重量估算方法并不保守。因此，产生无边际权重估计，并且检查正和负权重余量以证明上述所有条件下的合规性。

图2 典型泥舱模型

值得注意的是，尽管液体货物具有显着的自由表面和相当大的重量转移时刻，但是第四种情况下，稳定性状况证明是条件4，非固定货物。在静态扶正臂减弱之前，料斗的这种构造会溢出大量液体货物。

载重线分配——在以前的实践中，分体船料斗驳船已经被授予类型的干舷减少了25％，与典型的倾倒作业相对应

在岸边20英里以内的土地。随着新法规的出现，迫使一些倾倒场地进一步离岸，需要在干舷上设置无限（海洋）载重线。由于船舶可能在20英里以内的大部分时间内运行，所以将两条载重线分配给船只。第一个是“B-25％”干舷，用于沿岸运行，最大料斗负载，第二个为“B”号干舷，用于离岸行程，货物能力降低。

为了提供进一步的灵活性和操作信心，最终条件包括在所有稳定性计算中，即“内陆”干舷条件。这是一个自制的限制，涵盖所有不受管制的内陆作业，并将干舷限制为半壁式干舷。

纵向强度

这种类型的船只的纵向强度计算由于分体船体构型和每个半船体的不对称性而变得复杂。类似地，由于纵向强度规定是用于对称的容器，它们不能直接应用于该不对称容器。因此，设计师被迫应用非标准纵向强度计算来证明符合解释强度标准。

计算——分段料斗装置在料斗壁上的水平货物负载超过了壳板上的水平静水负荷时，在整个料斗长度上产生不平衡的水平负载。这种不平衡的货物负载倾向于向外弯曲每个半体，除了标准的垂直船体弯曲之外，强制考虑水平船体梁弯曲。纵向强度计算由于每个半体的不对称性而进一步复杂化，这倾向于将主惯性平面与容器的水平和垂直平面对准旋转。通常用于建立分裂船体料斗容器中的纵向弯曲应力水平的手计算方法的细节在[1]中有详细说明，概述如下：

bull;计算完整的截面属性，包括半船体惯性的交叉积，确定惯性主平面。

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