地脚螺栓与跨舷作业设备的配合分析

汤清之

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

船舶舾装/ 疏浚/ 特机

地脚螺栓与跨舷作业设备的配合分析

汤清之

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

地脚螺栓是综合型科考船普遍配置类似螺栓孔的一种通用紧固件。这些地脚螺栓一般都均匀地分布于作业甲板和实验室，起到固定科考设备、仪器的作用。通用型科考船往往会根据不同航次的任务需求携带、装备各类科考设备、仪器，文中着重分析地脚螺栓与跨舷作业设备的配合计算。

科考船；地脚螺栓；跨舷作业设备；甲板通用固定件

引 言

随着海洋权益争端日趋激烈，对于海洋物理、地质、生物等深入了解已迫在眉睫，而目前我国对于海洋多学科考察能力的欠缺已经逐渐暴露。所以，大型综合型科考船将是目前需求量较大的一种船型。其具备多学科同时作业的能力，并拥有和陆上基本同等能力的实验室，更可以根据不同航次的任务要求携带、装备各类科考设备、仪器；而目前在大多数科考船上用来临时固定这些科考设备和仪器的手段仍是使用集装箱固定件以及地脚螺栓等。

本文涉及的地脚螺栓是指均匀布设在作业甲板和实验室的螺栓座还有与其对应的螺栓。临时搭载上船的科考设备为了避免船舶横摇、纵摇等运动造成位移，往往通过螺栓与螺栓座连接。对于需要跨舷作业的设备，由于有额外的弯矩，其与地脚螺栓的配合需要特殊考虑。

在科考船方案设计阶段，可以预估装船的可移动跨舷作业设备是非常有限的，而且只有载荷等数据相对确定，而设备的外形尺寸，特别是底脚尺寸只有近似值。为了保证所有可移动安装的作业设备都能在船上妥善安装，在方案设计阶段有一套切实可行的简化计算方法是非常有必要的。这套方法既能辅助设计地脚螺栓的安全工作负荷、数量、位置等，又能在地脚螺栓设计布置完之后反向限制跨舷作业设备的载荷与跨距等。

1 移动式跨舷作业设备简介

移动式跨舷作业设备是科考设备的一种，一般分为操控支撑部分和探测部分。安装形式为操控支撑部分通过地脚螺栓安装在舷内，承担受力任务；探测部分通过操控支撑部分跨出舷外而被投入海中完成作业。科考船可搭载移动式跨舷作业设备的数量、品种及能力已成为考核该船综合科考能力的重要指标。以下介绍两种常见的大负载移动式跨舷作业设备。

1.1 ROV A架与专用绞车

鉴于某些科考船尾部A架的任务负担较重，或者其设计时并未考虑到与某些型号的ROV配合，在执行需要搭载ROV的任务时，可能会同时搭载专用的舷侧A架以及配套的脐带缆绞车。由于ROV具有较大自重，且舷外作业的跨距大，力臂也相应很大；如果再考虑跨舷作业时的高海况，作用到地脚螺栓螺栓阵的弯矩则会非常大。

1.2 移动船载温盐剖面仪

在海洋调查研究过程中，对海水温、盐、深的测量是最关键的几个水文要素。目前国内对于该数据的获取大多是采用定点温盐深仪（简称CTD）进行测量，但由于仪器和海况等方面的原因，在这些断面上设定的站点非常有限；且各个站点之间的距离较大，因而不能很好反映海洋内部的一些细微结构［1］。为了获得较好的连续性和高分辨率断面温、盐、深数据，大多数科考船都会安装移动船载温盐剖面仪（Moving Vessel Profiler，简称MVP），对于通用型科考船，为了保证设备的可切换性，也可采用可移动安装方式。

2 通用固定件螺栓组受力分析

一般而言，地脚螺栓螺栓组会等间距地布置成一个矩阵（如图1所示），跨舷作业设备可以简化为一个吊重模型（如图 2所示）。

图1 地脚螺栓

图2 跨舷作业设备受力模型

舷外的垂向力可以移动至舷内设备重心处，这样就把舷外的垂向力P1转化为舷内的垂向力P2以及弯矩M［2］。

根据《CCS钢质海船入级与建造规范2012》［3］第二篇第3章3.2.2.5节中对锚机螺栓组的计算，由于受力模型类似，故将其引用至计算螺栓组。在x方向上：

式中：Rxij为x方向弯矩作用在第i行第j列螺栓上的轴向力，kN；Mx为x方向弯矩，kN；Xij为第i行第j列螺栓到整个螺栓组重心的x坐标值（cm），弯矩受拉边为正；Aij为第i行第j列螺栓剖面面积， cm2；Ix为螺栓组对y轴的惯性矩之和，

螺栓组的定位如图3所示。

图3 跨舷作业设备受力模型

同样，在y方向上：

式中：Ryij为y方向弯矩作用在第i行第j列螺栓上的轴向力，kN；My为y方向弯矩，kN；Yij为第i行第j列螺栓到整个螺栓组重心的y坐标（cm），弯矩受拉边为正；Aij为第i行第j列螺栓剖面面积， cm2；Iy为螺栓组对x轴的惯性矩之和，

所以，对于第i行第j列螺栓的合成轴向力Rij应为：

式中：Rsij为设备重量作用在第i行第j列螺栓的静反力，kN；Pij为转化后的舷内垂向力P2作用在第i行第j列螺栓的静反力，kN。

在实际布置科考设备时，我们一般总会考虑在舷侧或者船尾一个方向来供设备工作，所以为了简化问题，可以把式（3）简化为：

式中：RDij为x或y方向弯矩作用在第i行第j列螺栓上的轴向力，kN。

3 配合受力分析

3.1 承担跨舷弯矩的几个要素

在进行地脚螺栓设计时，一般根据作业甲板强度以及螺栓件的材料、科考作业预期搭载设备等确定地脚螺栓单个螺栓的SWL。由于船舶尺度和科考侧重点的不同，此SWL的数值会不尽相同，我们暂定某型船的地脚螺栓单个螺栓的安全工作负荷（SWL）为Q（单位：kN），接下来将校核：

故对于已经确定的地脚螺栓阵列，如果在方案阶段就已知某个方向上的弯矩的数值（最危险工况），则需要提前设计通用固定件的间隙、数量和SWL，也即

由于沿弯矩方向螺栓行数的奇偶性对中和轴有影响，所以在此我们分情况进行讨论。

3.1.1 通用固定件矩阵j为偶数

有点后悔点了炒面，应该吃凉拌面，典型的吃着碗里看着锅里。除了炒面、凉拌面，还有炒面皮、炒年糕，灌汤臭豆腐，小笼包、虾籽面、烧饼、混沌、肉丁烧麦……太多的小吃，可一星期不重样。

j = 2k （k=1，2，3…kmax），显然在最远离中和轴的一行受力最大，即Xijmax=（kmax-0.5）d，见下页图4。

令总行数imax= m，总列数jmax= n，显然

图4 偶数个螺栓的情况

3.1.2 当通用固定件矩阵j为奇数

j = 2k+1 （k=1，2，3…kmax），显然在最远离中和轴的一行受力最大，即Xijmax= kmaxd，如图5所示。

图5 奇数个螺栓的情况

同令imax= m，jmax= n，显然

故以上两种情况可以归结为：

综上所述，地脚螺栓的数量、间距以及轴向安全工作负荷是承担跨舷弯矩的几个重要因素。在实际船舶设计时，Q根据结构、螺纹能够负担的载荷确定， d根据结构形式确认（一般会选为肋骨间距），而Mmax是设备本身属性。所以对于某特定设备在某科考船上安装的情况，我们仅能够通过调整通用固定件的数量特征（也即矩阵的行数和列数）来满足装船要求的载荷。

3.2 对于数量特征的深入分析

对于工程设计而言，一个非常重要的考虑因素就是经济性。如果通用固定件所用的螺栓总数被限定为S，也即m×n=S，在该条件下求数量特征值最大的矩阵的行数和列数。

可见，看到在自然数范围内，n取到最大（也即m取到最小）时，数量特征函数有最大值。也即在恒定的螺栓个数下，行数大而列数小的狭长型矩阵有最好的经济性。

所以，可以看出数量特征函数随着行数n的增长而增长，且增速越来越快。也即在一般情况下，增加通用固定件的行数要比增加通用固定件的列数效率来得高。

如果我们分析列数m和行数n对F（m，n）的影响，则可分别定义为列增幅函数h（m）和目前数量特征函数的比值，以及行增幅函数g（n）和目前数量特征函数的比值：

并分别绘制成曲线，其区别就显而易见。

参照该曲线，我们发现列数的增加对数量特征函数的贡献始终不及行数增加来得多，但是两者的差距在个数增多的情况下会越来越小。设计者可以选取合适的矩阵行数和列数。

图6 行数、列数对数量特征函数的影响

3.3 正方形矩阵的特殊情况

根据上文所述，诚然通用固定件矩阵的行列比越大越好，但是实际设计过程中，大多数设备的基座都是接近正方形的。所以，我们在此分析正方形矩阵这一特例，其在实际设计过程中运用最广泛，在前期方案论证中评估正方形的矩阵也最行之有效。

当通用固定件矩阵的行数等于列数（即m=n）时，该矩阵成为正方形矩阵，数值特征函数也变为：

将其代入式（6），可得：

根据求解一元三次方程盛金公式［4］

根据该公式，我们可以根据跨舷作业设备的外载荷预报实际需要的正方形矩阵大小，并迅速完成布置方案。

4 结 论

本文重点阐述了地脚螺栓在配合跨舷作业设备固定时需满足的一些力学要求。诚然，在推导过程中忽略了设备自重和垂向力在螺栓上的作用力，但是由于这些作用力方向向下与弯矩产生的力方向相反，对螺栓而言是较安全的，在工程问题上也是可接受的；在跨舷作业设备切应力的分析上，本文限于篇幅并未展开。但是，由于其与拉应力相比数值很小，工程上的解决手段也非常多样，所以本文所述的力学计算方法在评估装船的跨舷作业设备与地脚螺栓矩阵的设计是否匹配方面是切实可行的，特别是在方案设计阶段，这种快速的评估手段能够有效帮助设计师对跨舷作业科考设备的选型，也能指导对地脚螺栓矩阵的增减或修改。

［1］ 刘长建，毛华斌，陈荣裕，等. 南海北部海洋温、盐调查研究——2004年9月南海北部开放航次移动船载温盐剖面仪观测 ［J］. 热带海洋学报，2005（1）：89-90.

［2］ 濮良贵，纪名刚. 机械设计［M］. 第8版. 北京：高等教育出版社，2006：92-93.

［3］ 中国船级社.钢质海船入级规范 2012（第二分册） ［S］. 2012.

［4］ 范盛金. 一元三次方程的新求根公式与新判别法［J］.海南师范学院学报（自然科学版）， 1989（2）：91-98.

Analysis of match between anchor bolt and overboard working equipment

TANG Qing-zhi
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The anchor bolt, similar as the bolt hole, is a general fastener commonly used on the multi-purpose research vessels. These anchor bolts are usually installed uniformly on the working deck and laboratory decks to fi x the working equipments and scientifi c instruments. The multi-purpose research vessels often carry the various working equipments and scientifi c instruments according to the diff erent mission requirements. The investigations focus on the calculation of the match between the anchor bolt and the overboard working equipment.

research vessel; anchor bolt; overboard working equipment; deck general fastener

U671.91

A

1001-9855（2017）02-0071-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.071

2016-07-11；

2016-09-11

汤清之（1989-），男，工程师。研究方向：船舶舾装。