邓建通 卢龙文

摘    要：船舶机舱上方通常会设置用于主辅机进出舱的可拆盖，以便于主辅机的维护保养。本文以某35m高速公务船为例，介绍一种机舱可拆盖的设计，主要包括结构形式、材料选取、构件尺寸及强度分析等方面。该可拆盖的设计方法，可为相关工程设计人员提供参考。

关键词：可拆盖;结构设计;强度分析;高速公务船

中图分类号：U667.2                              文獻标识码：A

Abstract： The removable cover above the engine room is usually arranged for main and auxiliary engines to enter and leave the engine room for the maintenance of main and auxiliary engines in the future. This paper introduces the design process of the removable cover above engine room in a high-speed official ship， including structural form design， material selection， size selection of structural components and strength analysis.

Key words： Removable cover; Structural design; Strength analysis; High-speed official ship

1     前言

随着经济的发展，国内对于高速公务船的需求越来越大，尤其是中小型公务执法船。在船舶的使用寿命周期内，主机及辅机一般都会经历小修、中修甚至需出舱进行大修。如果主辅机需要出舱进行维修时，就需要在主辅机上方甲板进行开口的切割处理，这对周边的结构会形成一定的破坏，还会延长船舶的建造周期。

另外，在建造过程中如果出现主辅机等大型设备推迟到货的情况，那就需要在船体上预留吊装主辅机的开口位置，等主辅机进舱安装后再进行开口位置的船体结构焊接，过程非常麻烦，且不利于建造质量的控制。

因此，为了便于船舶建造时的主辅机进舱及日后的维护保养工作，一般可在主辅机舱上方设置用于主辅机进出舱的可拆盖，尤其是对于中小型高速公务船。本文根据某35 m高速公务船的具体使用情况，设计出一种机舱可拆盖。

2    船舶概况

该船航行于沿海区域，船长为35 m、型宽7 m、型深3.7 m;主船体为钢质纵骨架式全焊接结构;甲板室采用铝合金结构，其中铝合金板材的材料为5083-H116/H321、型材的材料为6082-T6;结构的构件尺寸根据中国船级社《海上高速船入级与建造规范（2015）》（下文简称“海高规（2015）”）进行设计。根据本船的设计任务书要求，需在机舱露天甲板上方设置一个长约4.4 m、宽约3.0 m的可拆盖，以便于机舱大型设备的日后维护保养工作。由于此可拆盖作为露天甲板的一部分，在保证可拆盖的强度及密性外，还需满足美观性及实用性的要求。因此，此可拆盖需自行根据尺寸及实际使用情况进行设计建造。

3    可拆盖的结构形式

根据使用功能不同，船用盖子的类型分为进出货的舱口盖和进出人的人孔盖等。

目前常用舱口盖的类型有以下几种：

（1）应用于集装箱船的吊离式舱口盖;

（2）应用于散货船的侧移式舱口盖;

（3）应用于杂货船的折叠式舱口盖;

（4）普通船的小型铰链式舱口盖等。.

船用人孔盖的形式，主要有：带围板式人孔盖;平置式人孔盖;埋入式人孔盖;铰链式人孔盖等。

由于本船可拆盖与上述盖子的类型有较大区别，不能完全照搬上述某一型盖子的结构形式，需综合考虑进行设计。

本船的机舱可拆盖是设在露天强力甲板上，其上方不需要作为货物堆放的场所，而只作为通行使用。为了便于人员通行及更好地利用此处上方的空间，不宜选用带围板式盖子，推荐使用可吊离埋入式盖子，盖子锁紧装置采用紧固螺栓的方式。为此，设计了两种不同的埋入式节点连接形式：方案一及方案二，如图1 a）及图1 b）所示。

两种方案连接节点形式的主要优缺点比较，如表1所示：

并根据船东及船厂的意见，本船采用了方案一的连接节点形式。为了使可拆盖能够更好地与周边船体结构进行有效连接，可拆盖的结构采用单壳形式，其结构形式及骨材的布置与周边主船体结构一致，并在与可拆盖连接处的主船体结构做了局部加强，确保可拆盖边界处具有足够的结构刚度。可拆盖结构简图，如图2所示。

4     可拆盖的结构材料

本船的主船体为钢质焊接结构，设置于机舱上方的可拆盖作为主船体的重要组成部分，其使用的结构材料一般应与主船体的结构材料相同。由于本船对航速的要求较高，而本船的储备航速非常小，因此严格控制本船的船体结构重量是结构设计中的重中之重，任何有利于降低船体结构重量的设计都应有效采用。为此，如果此机舱可拆盖的结构材料选用船用铝合金，通过计算分析，其结构材料的重量约为钢质结构材料的三分之二左右，非常有利于本船的总体结构重量控制。因此，本船机舱可拆盖的结构材料选取了较为轻质的船用铝合金，其板材牌号为5083-H116/H321、型材牌号为6082-T6。

5     可拆盖的结构构件尺寸

通常来说，可拆盖结构构件的尺寸可选取与原有甲板结构构件一致，但由于本船可拆盖使用的结构材料与原有甲板结构的材料不一致，原有甲板结构的结构材料为船用A级钢，因此可拆盖盖板的厚度、主要骨材的尺寸不能直接按照原有甲板结构构件尺寸进行选取，其构件尺寸可参照《海高规》对于铝合金甲板结构的要求进行确定。通过规范计算，可拆盖的盖板厚度选取为5 mm、次要骨材为5号球扁铝、主要骨材为T5x130/8x80。同时，因其边界支承情况与规范不一致，故还应通过有限元计算分析进行校核。

6    可拆盖的结构强度校核

虽然通过上述规范初步选取了可拆盖的结构构件尺寸，但其整体的结构强度还需通过有限元仿真校核计算，确保其结构强度能够满足要求。关于舱口盖结构强度的直接计算，目前《海高规（2015）》并没有做出相应的规定，虽然《国内航行海船建造规范（2018）》里的第2篇第2章第20节有关于舱口盖的相关计算规定，但规范里的计算方法并不适用于此种类型的舱口盖。根据可拆盖的结构特点，可以参照《海高规（2015）》附录2第5节的规定对可拆盖进行局部结构强度分析计算。本文使用大型商用有限元计算分析软件MSC.Patran/Nastran对本船可拆盖的结构强度进行了计算分析及安全性校核，其计算过程如下文。

6.1   有限元模型

见图3、图4。

（1）模型范围及坐标系

模型以整个盖子为计算目标，其坐标系采用笛卡尔右手直角坐标系：x轴的正方向为本船沿船首的方向;y轴的正方向为本船的船宽沿左舷的方向;z轴的正方向为本船沿型深向上的方向。

（2）单元的类型及网格尺寸

模型中采用板单元和梁单元来模拟结构构件：结构板材和主要支撑构件的腹板采用板单元;主要支撑构件的面板和纵骨采用梁单元，并考虑各结构构件的实际截面和偏心;采用基准为50 mmx50 mm的网格尺寸对有限元结构模型进行划分，计算模型中总共有7014个节点、6 920个板单元、1 450个梁单元。

（3）边界条件

模型在盖子螺栓固定处采用简支约束的边界条件，即约束模型中的x、y、z三个位移分量。

（4）材料属性及力学参数

可拆盖的结构材料为耐海水腐蚀的船用铝合金，其板材的牌号为5083-H116/H321、型材的牌号为6082-T6;铝合金的弹性模量为69 000 MPa、泊松比为0.33;板材母材的屈服强度和焊后的屈服强度分别为215 MPa、125 MPa，型材母材的屈服强度和焊后的屈服强度分别为250 Mpa、115 MPa。

（5）载荷及加载

可拆盖上方不用作承载货物的场所，其施加的载荷只需考虑此处露天的甲板压力，甲板压力值可根据《海高规》的规定计算。计算所得压力值为0.01434 MPa，甲板压力通过面压力施加在可拆盖的上方。

6.2   许用应力及计算结果

（1）许用应力

根据《海高规（2015）》附录2中第5.5节关于局部强度衡准的规定，通过计算可得出铝合金结构局部强度的许用应力值为：板单元的许用等效应力[σe]=100 MPa;板单元的许用剪切力[τ] =55 MPa;梁单元的许用正应力[σ] =88.6 MPa。

（2）計算结果

① 根据应力云图（图5），板单元的等效应力为87.8 MPa;

② 根据应力云图（图6），板单元的剪切应力值为47.6 MPa;

③ 根据应力云图（图7），梁单元的最大应力值为52.4 MPa;

④ 根据应力云图（图8），梁单元最小的应力值为-76.2 MPa。

从上述计算结果可知，其应力水平均小于规范许用值，满足规范要求。

7    小结

本文介绍了某35 m高速公务船机舱可拆盖的设计方法，其结构强度满足规范要求;对于高速公务船可拆盖的设计，可选择轻质的船用铝合金结构材料;本船可拆盖结构的设计方法，可为相类似的项目提供一定的参考。

参考文献

[1] 中国船级社（CCS）. 海上高速船入级与建造规范（2015）[S].

[2] 中国船级社（CCS）. 国内航行海船建造规范（2018）[S].

[3] 刘兵山，黄聪. Patran从入门到精通[M ]. 北京：中国水利水电出版社，      2003.