基于工程船遠洋運輸的枕木設計與分析

張樂

摘 要：工程船通常采用半潛船干拖的方式進行遠洋運輸，而工程船的重量可以達到萬噸，甚至幾萬噸級。利用枕木的優化設計來改善遠洋運輸途中工程船自身結構受力特性，以及工程船對半潛船甲板荷載的分布，使半潛船及工程船的結構在強度校核中滿足規范要求。本文將結合DNV和ABS船級社規范，使用規范的方法對工程船遠洋運輸的枕木進行設計與分析，并對枕木強度進行校核。

關鍵詞：工程船;遠洋運輸;枕木設計;強度校核

中圖分類號：U662? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）05-0075-03

枕木具有很好的力學性質，尤其是順紋的硬木，其抗拉和抗壓強度均較高。

工程船通常采用半潛船干拖的方式進行遠洋運輸，而工程船的重量可以達到萬噸，甚至幾萬噸級。受枕木力學特性的影響，工程船作用在枕木上方的載荷，可以比較均勻的傳遞到半潛船甲板上方。利用枕木的優化設計來改善遠洋運輸途中工程船自身結構受力特性，以及工程船對半潛船甲板荷載的分布，使半潛船及工程船的結構在強度校核中滿足規范要求。

本文旨在根據以往實際項目中的一些經驗，并結合DNV和ABS船級社的規范要求，就大型浮式工程船等重大件貨物遠洋運輸枕木的設計與分析方法，作基本介紹。

1 枕木設計的基本原則

應用到工程船遠洋運輸的枕木，應遵循以下方案設計的基本原則：

（1）使用豎紋硬木類型的枕木;

（2）枕木應布置在半潛船甲板上方，同時確保所有枕木的設計位置在工程船強肋位的正下方;

（3）枕木應使用鋼結構作為固定單元，并將鋼結構焊接至半潛船甲板上。這樣可以防止當半潛船進行下潛作業時，枕木與半潛船甲板分離而漂浮在海面上;

（4）參考工程船擺放在半潛船上的重心位置，將枕木布置在工程船底部的范圍較大的區域，同時盡量布置的均勻，即確保枕木質心位置與工程船重心的水平位置偏差較小。這樣可以避免單側枕木受力過大而造成損壞的情況發生。

2枕木設計與分析步驟

2.1 枕木質心及剖面模數計算

本節所提及的枕木質心和剖面模數的計算，均是對枕木上表面的受壓面而言的。典型工程船遠洋運輸的枕木布置，見圖1。

2.1.1枕木質心

首先，以半潛船甲板中縱剖面船尾處為坐標原點，定義平面坐標系x10y1：x1軸正向由船尾指向船首，y1軸正向由船中指向左舷。分別計算各塊枕木投影到半潛船甲板上的面積，同時量取投影面積中心至x1、y1軸的距離。其中，在y1軸正向的距離取正值，在y1軸負向的距離取負值。

其次，計算所有枕木總的投影面積。同時，分別計算各塊枕木的投影面積對x1、y1軸的靜距，然后疊加求和，從而得到所有枕木對x1軸、y1軸總的靜距。枕木投影面積對x1、y1坐標軸的靜距為[1]

Sx=∑（Ai×Yi）

Sy=∑（Ai×Xi ）

式中：

Ai ：枕木投影面積;

Yi ：枕木投影面積中心至x1軸的垂直距離（考慮正、負號）;

Xi? ：枕木投影面積中心至y1軸的垂直距離。

因此，所有枕木在半潛船甲板上投影的質心在x10y1坐標系下的坐標為[1]

式中：Asum為枕木受壓面積總和。

2.1.2枕木剖面模數

將坐標系平移至上述求得的枕木質心處，并更改坐標系為X0Y，如圖1。

首先，量取各塊枕木投影面積中心至新坐標系下X、Y軸的垂直距離，計算各塊枕木投影面積對X、Y軸的慣性矩;然后，將各個慣性矩疊加求和。枕木投影面積對X、Y軸的慣性矩，可使用如下公式求解[1]：

式中，

Ai：枕木投影面積;

bix：枕木與X軸平行方向的長度;

hix：枕木與X軸垂直方向的寬度;

Yi：枕木投影面的中心至X軸的垂直距離;

biy：枕木與Y軸平行方向的長度;

hiy：枕木與Y軸垂直方向的寬度;

Xi：枕木投影面的中心至Y軸的垂直距離。

當枕木受到一定的彎矩載荷時，在距離枕木質心的最遠端位置，其枕木剖面模數最小，從而枕木所受到的壓力最大。枕木在彎矩載荷作用下的壓力分布，見圖2。

枕木最小剖面模數計算公式為

式中，

Ydist：枕木最遠端至X軸的垂直距離;

Xdist：枕木最遠端至Y軸的垂直距離。

對于自升式平臺等強肋位結構傾斜的工程船而言，枕木長度方向與工程船強肋位結構同樣進行平行布置。計算枕木質心的方法與上述情況一致;而計算枕木對質心的慣性矩時，需要先計算各塊枕木在自身局部坐標系下的慣性矩，然后再使用轉軸公式計算各塊枕木在全局XOY坐標系下的慣性矩。枕木局部坐標系與全局坐標系XOY的關系，見圖3。

圖中，β為局部坐標系與全局坐標系的夾角。

參考材料力學轉軸公式，枕木在局部坐標系和全局坐標系下的慣性矩關系式如下[1]：

式中：

Ix'：枕木對局部坐標系軸的慣性矩;

Iy'：枕木對局部坐標系軸的慣性矩;

Ix：枕木對全局坐標系X軸的慣性矩;

Iy：枕木對全部坐標系Y軸的慣性矩。

2.2 枕木靜壓力及偏心壓力計算

當半潛船處于完全靜止狀態的海水中時，在工程船自身重量的作用下，枕木會受到壓力的作用。此時，枕木所受到的壓力為靜壓力，其計算公式為：