导向打捞架设计优化

侯彬， 邓智勇， 曾钕钋， 高剑

（1.中国人民解放军92267部队，山东青岛266102；2.武汉第二船舶设计研究所，武汉430064）

导向打捞架设计优化

侯彬1， 邓智勇2， 曾钕钋2， 高剑2

（1.中国人民解放军92267部队，山东青岛266102；2.武汉第二船舶设计研究所，武汉430064）

介绍了导向打捞架的设计方案，通过优化设计，在保证结构强度、刚度要求的同时，整个结构的重量能满足工作船的设计要求。导向打捞架的设计实现了浮标的自动回收，提高了整套装置的作业效率、作业的安全性与可靠性。

信号浮标；设计优化；导向打捞架；穿浪双体船

0 引言

信号浮标布放回收装置安装在东远01穿浪双体工作船的尾部，其主要功能是对浮出水面的信号浮标进行隐蔽性布放与回收，将传统依靠潜水员下水回收浮标的人工操作方式改变为船在航行中自动捕捉回收浮标的动态方式。整套装置主要由导向打捞架、螺旋丝杆、轨道装置、起吊装置等组成。本文主要介绍导向打捞架的设计方案，通过计算、分析和优化设计，在保证结构强度、刚度要求的同时，整个结构的重量能满足工作船的设计要求，导向打捞架的设计实现了浮标的自动回收，提高了整套装置的作业效率、作业的安全性与可靠性。

图1 双体船艉部结构图

1 用途与工作原理

信号浮标随着双体船片体间水流被V型导向打捞架拦截捕捉并进行定位，通过设在导向打捞架两边的螺旋丝杆提升浮标至湿甲板附近，而后经起吊装置的抓钩钩住信号浮标把手，使其回收到船主甲板上。

为保证信号浮标从船底片体间通过后顺利回收，本导向架的宽度和深度应与双体船尾部的形状以及浮标在水中的浮标相适应。导向架两侧边缘能尽量靠近双体船尾部片体的边缘，保证信号浮标不会从导向架与船体间的空隙处穿过。导向架在工作状态下入水深度为1 m，能保证在有一定波浪升沉条件下顺利打捞信号浮标。

双体船到达信号浮标分布水域时，双体船降低航速至2节，打捞架通过螺旋升降装置下放至水中，浮标通过双体船片体中部进入打捞架，因V字型打捞架的导向作用，浮标被定位到打捞架中点，确认浮标被拦截定位后，提升打捞架至主甲板附近，通过起吊装置起吊信号浮标至主甲板，完成回收过程。重新将打捞架放入水下，实施对第二个进入定位位置信号浮标的打捞。打捞浮标工作完成后收起打捞架，从水中脱离至主甲板上方，双体船可高速返航。

2 设计方案

2.1 设计原则

东远01穿浪双体工作船为全铝合金高速双体船，对重量配置平衡的要求非常高，总体上如何减轻装置重量避免对船体产生过大影响，如何在尽可能轻的前提下保证装置的强度，如何避免材料不同及海水盐雾环境造成的腐蚀，以及在布置和安装空间有限的条件下做到信号浮标回收的隐蔽性，这些都给导向打捞架的总体设计带来了一定难度。为了解决上述问题，在设计中，遵循如下两个原则：导向打捞架可以上升和下降，但不能影响船舶的航行；限制重量，不能影响双体船的性能要求。

2.2 结构设计

根据双体船的结构特点，导向打捞架为长10m、高3m、最大宽度1.2 m。为适应信号浮标的尺寸，在导向打捞架水线以下及水线以上400 mm的范围内，采用φ18 mm×3 mm的铝合金管对导向打捞架进行加密处理，以保证信号浮标能在打捞过程中顺利进入预定的提升位置。在导向打捞架的底部（信号浮标定位处），设置2个φ400 mm的定位圆环，以保证信号浮标在被提升出水面过程中能定位在导向打捞架中而不至于滑出。为保证信号浮标在打捞过程中的安全，对于导向打捞架从底部起往上1 400 mm的范围内的所有管材进行硫化处理，硫化厚度为2.5 mm，从而保证避免信号浮标在进入导向打捞架的过程中与导向打捞架发生硬碰撞。

为保证导向打捞架本身强度以及考虑浮标进入导向打捞架后增加的载荷以及水阻等因素，本导向打捞架采用三维框架结构，可以保证导向打捞架在自身重力作用下的垂向位移不大于20mm，在工作速度2节时，导向打捞架入水最下缘和位移不大于100mm。

2.3 材料设计

导向打捞架的设计，主材选择与双体船船体同质的高强度铝合金（5083）材料，避免材料的不同性造成的腐蚀问题。导向打捞架主要采用的型材为φ55 mm×5 mm铝合金管。为尽量减小水流冲击下弯矩的影响，侧部采用铝合金板材连接主框架，板厚30 mm，主框架管连接处局部宽度750 mm，其余部分300 mm。本侧立板沿高方向加δ= 10 mm的腹板，并以筋板进行加强，从而增加框架整体的抗弯和抗扭能力，并为框架和提升装置的连接提供方便。在框架的主要连接部位均用δ＝10 mm的筋板进行连接。

为保证信号浮标在打捞过程中其薄弱部位水听器的安全，对于导向打捞架从底部起往上1400mm的范围内的所有管材进行硫化处理，硫化厚度为2.5mm，从而保证信号浮标在进入导向打捞架的过程中与导向打捞架进行软碰撞。

图2 导向打捞架结构图

3 计算仿真

3.1 计算工况

计算工况为：航速2～5节，四级海况，打捞架受风压和波浪力作用。

3.2 计算模型

导向打捞架作为装置的主要设备，对结构强度和重量要求较高。导向打捞架采用30 mm、16 mm、10 mm 3种不同厚度板材以及φ55 mm×5 mm铝管为主的桁架结构，侧面采用30 mm铝合金板以提高结构的抗弯性能。整个桁架上半部分受空气阻力作用，入水部分受洋流阻力作用。铝合金密度为2.802×103kg/m3，弹性模量为70 GPa，强度极限为125 MPa。两侧的板结构使用SHELL63，桁架结构采用BEAM189单元。

图3 导向打捞架有限元模型

图4 5节航速下整体应力云图

由计算可知：航速达到4节时，支耳应力峰值开始接近5083铝合金的设计许用应力；达到5节时，桁架最大应力已超过设计许用应力。导向打捞架模型强度和刚度不足，存在应力集中的现象，现就四级海况5节航速的工作环境下，分析应力分布特点，研究导向打捞架存在的缺陷。通过自定义等值线表，可以突出接近设计许用应力的部位，如图4，应力为60～140 MPa的部分用红色表示。

局部应力云图反映出了结构各部分应力分布的趋势以及集中点，不同梁之间的应力水平差异很大，表明导向打捞架结构不利于力在材料内部的传递，局部存在较大的应力峰值，而其他位置应力相对很小。应考虑采取局部补强的措施或更换更优的桁架结构。

3.3 优化设计

选取单层水平面桁架结构作为优化对象，预置确定位置的部分主梁，φ55 mm×5 mm的BEAM189梁单元，其他间隔布置优化2D拓扑优化单元SHELL82。通过ANSYS提供的拓扑优化模块，寻找最优的传力路线以确定最佳的桁架结构。

计算得到拓扑分析的密度云图，如图6中所示ρ＝0～1（蓝～红），综合考虑加工工艺等因素，以拓扑优化得到的密度云图为基准构建新的单层桁架模型，尺寸参数如图7。

图5 拓扑优化基本模型示意图

图6 拓扑优化得到的密度云图

图7 单层桁架模型

以拓扑优化得到的桁架模型为基础结合原导向打捞架模型，优化如下：1）在支耳处下侧增加了1块筋板；2）改变了立杆排列方式；3）改变了水平面内的桁架结构，在部分位置补强筋板。

不同航速下最大应力见表1。

图8 优化后导向打捞架模型

表1 不同航速下应力计算结果

计算表明：使用优化后的结构，在不同工况中均可大大降低桁架的应力水平，提高桁架的刚度。

4 结 论

信号浮标布放回收装置已装备东远01双体工作船4年，经过实船操作、使用，证明导向打捞架设计合理，总体强度、刚度均满足实际使用要求。整套装置极大地提高了信号浮标打捞作业的安全性和工作效率，具有较大的社会、军事、经济效益。

［1］ 钢质海船入级规范［S］.北京：中国船级社，2009.

［2］ 成大先.机械设计手册［M］.3版.北京：化学工业出版社，1993.

（编辑启 迪）

Research and Manufacture of the Signal Buoy Laying and Recovery Equipment

HOU Bin1， DENG Zhiyong2， ZEMG Nyupo2， GAO Jian2
（1.The Chinese People's Liberation Army 92267 Troops,Qingdao 266001,China；2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan 430064,China）

According to design scheme of the guide salvage frame,optimal designcan,ensure the design requirements of structural strength and stiffness,the total weight of the structure can meet the design requirement the working ship.The optimal design of frame guide salvage realizes automatic recovery of the buoy,improves the safety and reliability of operation,the operation efficiency of the whole device.

signal buoy;laying and recovery;V type salvage frame;big span rise and fall equipment

U 664

A

1002－2333（2014）05－0167－03

侯彬（1977—），男，工程师，主要从事船舶与海洋工程结构物设计制造。

2014-01-15