基于仿真分析的工作艇吊艇架選型設計

申常云 祝文倩

摘 ? ?要：根據用戶在給定海況條件下安全收放工作艇的需求，對某船所配設的工作艇吊艇架進行選型，并參照規范要求進行設計布置;采用ANSYS AQWA軟件，考慮船與工作艇的耦合作用對其在給定海況條件下的運動幅值等進行動態仿真分析，得出吊艇架具備安全作業的條件、作業時間窗口等;經實船試驗驗證，滿足用戶及規范、法規的要求。

關鍵詞：吊艇架;工作艇;耦合作用;動態仿真分析

中圖分類號：U667.6 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： Based on the requirement of the users of safely stowing & releasing of workboat under the given sea condition， the type selection of boat davits for a ship and layout design according to the rules are carried out， considering the coupling effect between the ship and workboat， the dynamic simulation analysis of the motion amplitude under the given sea condition in a certain time domain is conducted by using the ANSYS AQWA software， and finally the working conditions & job time window for the operation security of safely stowing and releasing of workboat by boat davit are obtained. Verified by the test of stowing and releasing workboat of the actual ship， the selected workboat davit meets the requirements of the users， rules and regulations.

Key words： Boat davit; Work boat; Coupling effect; Dynamic simulation analysis

1 ? ? 前言

對于需要在風浪海況條件較高的水域進行收放工作艇作業的船舶，采用常規的單吊點起吊方式的艇架裝置難以滿足作業需求;另一方面，現行法規、規范對艇的條文主要是關于救生艇的配置問題，其關注點除乘員數量外，則是在偏靜態條件下艇的存放、登乘、降落和回收，以及母船的縱傾和橫傾狀態;對于以工程作業為主的工作艇的配置，以及在某種海況條件下需具備什么樣的收放工作艇的能力則沒有給出衡準規定，相關的設計手冊對這類情形也未給出明確的指引和方法。

結合作業方的實際需求，了解收放作業時工作艇的橫搖、縱搖、擺幅、工作窗口等關鍵控制點，在設計選型中考慮作業方的海況作業能力需求和法規對母船的縱、橫傾角的限值，綜合考慮船與工作艇的動態耦合作用，采用動態的仿真分析來分別評估單吊點和雙吊點艇架收放工作艇的作業狀態，以便得到一個合適可行的工程結果。

以某船（以下稱母船）適合三級海況收放工作艇的配套雙吊點起吊方式艇架裝置（以下簡稱雙吊點艇架）的選型設計為例，簡要介紹雙吊點艇架的選型、靜態布置要求、船與工作艇的耦合作用的動態仿真分析、與單吊點艇架運動幅值對比、設計方案和試驗驗證、注意事項等。

2 ? ? 雙點吊艇架方案的技術可行性

2.1 ? 雙吊點艇架

雙吊點艇架主要有重力倒臂式、重力跨步式、重力滑軌式等型式[1]，其中以重力倒臂式及其改進型的應用較多。母船所選雙吊點艇架為改進的液壓倒臂式雙點吊艇架，此類吊艇架國內外有多個廠家可以生產供貨，設計工況可做到母船縱傾10°、橫傾20°。

2.2 ? 工作艇

母船所配工作艇的總長約7.5 m、空艇重約6 t;首尾部位置各設一套吊鉤裝置，該吊鉤裝置可與雙吊點艇架上的首尾吊環實現快速掛鉤和脫鉤，實現艇的收放。

2.3 ? 雙吊點艇架的靜態布置要求

雙吊點艇架裝設在首樓甲板右舷甲板區域，裝設吊艇架后通道寬度應滿足人員通行要求。

參考國際救生設備規則關于“救生艇在最輕載航行時縱傾至10°和任何一舷橫傾至20°的不利情況下到達水面”的規定[2]，并參考類似船的布置和作業要求，工作艇收放作業時母船橫傾一般不超10°;該船參照“工作艇在最輕載航行時縱傾至5°和任何一舷橫傾至10°的不利情況下到達水面” 的規定[3]進行布置，當母船為輕載吃水并正浮時，吊艇架最大跨距狀態下，工作艇外緣與母船舷側間距離約1 200 mm，母船橫傾10°收放工作艇時，工作艇與母船舷部突出構件之間仍有間隙，滿足要求，詳見圖1。

2.4 ? 母船和工作艇在三級海況下的動態運動幅值

根據母船吃水和吊艇架布置情況，吊艇架擺到舷外最大位置時吊點距離水面約8 m、吊艇架吊鉤裝置頂部距水面約2 m、收放作業時鋼絲繩行程約6 m、絞車收放速度取10 m/min、收放時間約30 s。

建立母船、工作艇、吊艇架等的數值分析模型后，先進行靜水力、規則波下波浪載荷及系統響應、頻域條件下一階波浪力和二階平均漂力的計算;再進行耦合運動分析，仿真在不規則波下船體的實時運動;采用ANSYS AQWA軟件對母船三級海況上限（有義波高1.25 m、風速10.7 m/s、流速1.03 m/s）時，180°、225°、270°幾個典型浪向下單吊點及雙吊點收放作業進行模擬計算，動態仿真計算時長取40 s（較收放時間適當放長）。

經分析計算結果，母船在三級海況收放工作艇作業狀態下，橫搖角均小于5°、縱搖角均小于2°;采用雙吊點吊艇架收放工作艇時，工作艇的橫搖、縱搖最大值比單吊點吊放方式分別減少30%～70%，并大幅度地減小了工作艇自身的運動幅度，詳見圖2、圖3所示;同時，采用雙吊點吊艇架，還較好地解決了工作艇在風浪中的首尾擺動問題。

采用雙吊點吊艇架后，降低了工作艇的擺幅：收艇時擺幅減少45% ～78%;放艇時擺幅減少23% ～76%，詳見圖4所示。

根據仿真分析結果，三級海況下收、放工作艇具有較好的工作窗口，但在橫浪狀態下工作艇的擺幅較大，此外，海上風浪有不規則性，建議在使用時采用有利船位，即船首左舷頂浪，有利浪向角范圍180°～ 225°之間;并盡可能利用搖擺較小的工作窗口，提高作業成功率。

綜上所述，在設計海況為三級海況及以下時，采用雙吊點吊艇架可以滿足收放工作艇的作業條件。

3 ? ?設計方案

設計方案包括：工作艇、雙吊點艇架及其布置、船甲板結構局部加強、吊艇架試驗等方面。

3.1 ? 工作艇

工作艇為雙吊點起吊，在工作艇的上甲板中線面處裝設首尾吊鉤裝置，首尾吊鉤間距與雙吊點艇架匹配，吊鉤裝置與艇體結構可靠連接并相應加強;吊鉤裝置可遙控脫鉤與手動掛鉤，具有帶負載脫鉤的能力，當艇浮于水面時或在緊急情況下能快速脫鉤;在艇上的操艇部位設有可同時脫開首尾吊鉤的脫鉤手柄;該吊鉤裝置可與雙點吊艇架上的首尾吊環實現快速掛鉤和脫鉤，實現艇的收放;工作艇吊鉤裝置處的空間需滿足人員操作要求。

3.2 ? 雙吊點艇架

雙吊點艇架主要技術性能參數如下：

（1）安全工作負荷（SWL）大于工作艇的滿載重量，并考慮適當裕度;

（2）絞車下放/提升速度一般為10 m/min;

（3）母船允許最大工作傾角為：橫傾10°;縱傾5°;

（4）收放作業海況為三級海況及以下;

（5）配備電動液壓泵站為臂架液壓油缸提供動力，并視情考慮備份;

（6）配備電動起艇絞車控制艇的起升和下降。電動絞車主要由電動機（帶制動器）、減速箱、卷筒、限速器等組成;

（7）母船需為吊艇架提供一路電源，其容量滿足液壓泵站及電動絞車的要求。

3.3 ? 雙吊點艇架布置

（1）雙吊點艇架裝設在首樓甲板右舷FR38～FR50肋位處，距中約3.9 m到舷邊的甲板區域;

（2）艇架電動液壓泵站、電動起艇絞車裝設于艇架近處合適位置，操縱臺設于右舷舷邊處以便于觀察和操控;

（3）裝設艇架后的通道需滿足人員通行要求，且裝設艇架后不影響周邊其他設備;

（4）按母船處于輕載水線計，艇架吊鉤行程約6m。

3.4 ? 船體甲板結構局部加強

在雙吊點艇架、絞車等對應位置，甲板下結構應作局部加強。

4 ? ?試驗驗證

母船裝設雙吊點艇架后，按要求進行吊艇架系泊和航行試驗，再進行三級海況收放效用試驗。經實船試驗驗證，相關試驗數據與理論分析結果比較接近，滿足規定的要求;與單吊點艇架收放工作艇對比，收放作業時工作艇自身的運動幅度、擺幅明顯改善，達到預期效果。

5 ? ?注意事項

在三級及以上海況下進行工作艇收放作業，需考慮較高海況條件下工作艇收放作業的風險，設計前充分了解作業工況條件;設計時還應結合母船的具體情況，對人員上下工作艇的位置空間、工作艇的存放綁扎固定、母船舷邊的導纜拉纜羊角等輔助設施作出合理可行的方案，并要求用戶選擇較有利的作業時間窗口，平時加強訓練人員與工作艇的操作配合訓練，確保實際作業時按流程操作、安全收放。

6 ? ?結束語

針對目標用戶在相關海域的工作艇收放作業需求，綜合考慮船與工作艇、人與工作艇等動態條件下的相互作用，通過對三級海況下雙吊點吊艇架與單吊點吊艇架收放工作艇的運動響應進行仿真分（下轉第頁）（上接第頁）

析，并提出可滿足實船操作的吊艇架選型設計方案。在此過程中，把法規關注的船舶狀態和作業人員關注的海況動態條件下的作業能力協調統一，這種解決思路和方法，可為現階段無衡準而又有實際需求的類似項目提供有益參考。

參考文獻

[1]船舶設計實用手冊（第3版）舾裝分冊[M]. 北京：國防工業出版社，? ? ? ? ? ?2013.

[2]國際救生設備規則（LSA code）[S].

[3] GJB4000-2000艦船通用規范[S].