拼接式游览艇螺栓连接结构设计与强度校核

张晓莹，扈 喆，林国珍，朱兆一，陈清林

（集美大学 福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021）

0 引 言

游览艇为滨海、河流和湖泊旅游景区必备的运输工具，用于游客开展水上观光、垂钓等娱乐休闲活动。广义上说，游览艇是游艇的一种。目前游艇和邮轮行业已被船舶界公认为具有巨大发展潜力的行业，近年来国家对游艇的发展给予了巨大支持。尽管游艇的最终定位是成为大众化消费品[1]，但我国当前的人均收入还不足以承担此项费用，加之相关管理政策和国人的海洋文化理念相对滞后[2]，可预见短期内游艇不会得到普及[3]。在该环境下，景区游艇观光作为一种传统、有效的过渡形式得到推崇[4]。

然而，在游艇业拓宽至景区旅游观光的过程中存在运输问题。许多旅游景区（如湖泊、水库）位于内陆，其运输渠道往往是复杂多变的山路。传统大型游艇的加工成形多在厂房中进行[5-6]，此类游艇的整体运输存在巨大困难，一方面存在运输损坏风险，另一方面可能导致成本大幅增加。相比私人游艇，景区游览艇的使用率较高，考虑到景区环境复杂及人工操作不规范等因素，可预见景区游览艇有较强的维护需求。现有的整体化设计建造方式不利于降低游览艇维护成本，对于交通条件恶劣的景区，整艇返厂维修势必涉及运输问题，进一步增加维护成本。

现场拼接式游览艇的船体分段在工厂建造之后，运输至景区进行现场拼接，可有效解决整体运输带来的成本增加问题，有望在山地景区被大量采用。拼接结构的形式与布置是否合理是决定游览艇设计成败的关键。拼接结构的设计应考虑运输的方便性、现场拼接的可操作性及结构强度。本文采用螺栓连接形式设计主船体与连接桥的拼接结构，采用水动力分析双体船载荷，并计算校核螺栓的强度；同时，采用有限元计算校核连接位置处结构的强度。校核结果表明，该设计符合相关要求。

1 现场拼接式游览艇简介

该现场拼接式游览艇用来在湖泊、水库等地短途载运游客游览，具有视野开阔、安全、舒适的特点，建造成本低，使用方便。该船具体的特征为：

1) 主体材料采用玻璃钢，重量轻，外观清洁美观；

2) 采用双体型，甲板面积开阔，载重量大，稳性好，操纵灵活，安全性好；

3) 连接桥采用工字钢，在保证强度的同时可降低成本。

该船的主体设计基于《内河小型船舶检验技术规则》[7]（以下简称《规则》）开展，其主尺度见表1，总布置图见图1。

表1 设计主要参数

图1 现场拼接式游览艇总布置图

二片体为完全对称的形状，片体采用横骨架式，单片体共设5道水密舱壁。为节约玻璃钢材料，降低成本，该船的主体采用甲板大开口型设计，即主甲板除艏艉舱密封以外，其余部分均采用敞开式设计，舱口盖板采用木质舱口盖与水密防水布的组合形式。为保证船舶的安全性和稳定性，片体空舱内填充不吸水的封闭型发泡塑料。图2为该船主体结构示意。

图2 主体结构示意

2 螺栓连接结构设计

2.1 拼接结构设计概述

二片体采用玻璃钢材料，为保证其质量，宜在船厂加工成型，不宜在现场制造。连接桥（如图2所示）由标准的工字钢型材组成。工字钢可在船厂加工成相应的形状之后，运输至现场焊接成整体连接桥。上层建筑主要包括雨棚、栏杆、座位和地板等，均可在船厂加工完成之后运输至现场拼接组装，并采用焊接方式连接至连接桥。

2.2 螺栓连接结构设计

为方便现场拼接和后期拆卸维修，工字钢框架与玻璃钢船体采用螺栓连接。该连接形式基本采用《纤维增强塑料船建造规范》[8]中第4章第4节“连接”推荐的形式及附录A（结构构造细则）推荐的形式。为实现钢框架与主船体的连接，在主船体实现甲板与横舱壁连接（见文献[8]中A4.1各图）的基础上，再用文献[8]中A6.2(2)的连接方式（此时将“支柱”视为工字钢）。

图3为玻璃钢双体与工字钢连接桥梁架连接螺栓布置示意。在图3中，每隔250mm设置一对M16型号连接螺栓，共500个。图4为工字钢框架与玻璃钢主船体连接示意。为避免局部应力集中和方便施工，在连接位置处增设耳板，焊接于工字钢翼板两侧。螺栓连接点布置于耳板上，可有效增大螺栓间的距离和螺栓与强桁材间的距离。

图3 玻璃钢双体与工字钢连接桥梁架连接螺栓布置示意

3 螺栓连接结构直接强度校核

基于《纤维增强塑料船建造规范》[8]第2章第15节，应用直接计算法校核螺栓连接双体船局部强度。由于本文仅考虑螺栓及螺栓孔附近结构的强度，因此采用局部建模并确定螺栓载荷的方式进行计算分析。参考《纤维增强塑料船建造规范》第2章第15节的相关规定进行建模、设定边界条件、加载和校核评估。采用水动力分析软件DNV.SESAM直接计算螺栓组所在水平截面的波浪载荷，在叠加静水载荷之后得到总载荷。螺栓组所在水平截面的载荷实际由螺栓承担，将截面载荷换算成螺栓载荷之后即可采用通用有限元软件MSC.Patran/Nastran进行强度分析。

图4 工字钢框架与玻璃钢主船体连接示意

3.1 计算工况

本文考虑满载和空载2种装载工况（见表2）。

表2 装载工况

2种装载工况各含4种载荷组合工况，分别为：

1) 工况LCx+y+，螺栓最大X剪力（正向）+螺栓最大Y剪力（正向）+螺栓最大Z拉力（负向）；

2) 工况LCx-y-，螺栓最大X剪力（负向）+螺栓最大Y剪力（负向）+螺栓最大Z拉力（负向）；

3) 工况LCx+y-，螺栓最大X剪力（正向）+螺栓最大Y剪力（负向）+螺栓最大Z拉力（负向）；

4) 工况LCx-y+，螺栓最大X剪力（负向）+螺栓最大Y剪力（正向）+螺栓最大Z拉力（负向）。

3.2 载荷计算

采用DNV.SESAM软件分析连接螺栓组所在平面的波浪载荷。采用Patran_pre软件建立船体外板湿表面模型（见图5）。湿表面网格共1948个，平均网格边长为250mm，肋位间网格数为2～3个。采用Patran_pre软件建立船体质量模型（见图6）。船体外板、甲板和纵桁等采用shell单元，连接桥工字钢和上层棚子支架等采用beam单元，船上设备、驱动挂机、座椅和人员等采用质量点。建好之后的模型的总质量与实船质量相差0.3%。该船的工作水域为平缓封闭水域，最大水深为30m，依据规范，按C级航区计算，目标波高取0.5m。浪向划分0°～180°，间隔15°。该船长约15m，波长15m对应波浪周期为3.1s，故分析波浪周期范围为0.2～7.0s，间隔0.2s。采用尼古拉耶夫经验公式估算横摇阻尼系数。

在生成湿表面模型及质量模型之后导入HydroD模块。采用WADAM模块计算螺栓组所在截面波浪载荷，结果见表3。

图5 双体玻璃钢景区游览船湿表面模型示意

图6 双体玻璃钢景区游览船质量模型示意

表3 各工况最大波浪载荷

参考绞车支座螺栓载荷计算方法计算连接螺栓所受载荷，由于波浪载荷呈周期性，为保守起见，这里采用最大的载荷组合形式，即载荷各成分符号相同。螺栓轴载荷的计算式为

式(1)～式(3)中：XiR 、YiR 和ZiR 分别为第i个螺栓所受的X向剪力、Y向剪力及Z向拉力；ZXYI I I= + ；ix和iy分别为第i个螺栓相对螺栓组形心的X坐标及Y坐标；iA为第i个螺栓的横截面积；N为螺栓总个数。

3.3 有限元模型

坐标系统采用右手坐标系：x轴沿纵向，以船首为正方向；y轴沿横向，以左舷为正方向；z轴沿型深方向，以向上为正方向。建模范围为玻璃钢体与连接桥连接局部位置，纵向跨度为3道强框架，横向范围为甲板开口处至舷侧。该船典型螺栓连接节点有2种形式，分别位于连接桥与玻璃钢体外舷和内舷的连接处。2种连接节点示意如图4所示，有限元模型见图7和图8。由于螺栓孔处尺寸较小，与板厚相当，故采用体单元建模。体单元边长取8～10mm。采用多点约束模拟螺栓载荷。在模型与船体强构件连接处设X、Y和Z等3项位移与转角约束（见图9）。

图7 连接节点1有限元模型示意

图8 连接节点2有限元模型示意

图9 连接节点1和节点2有限元模型约束示意

连接处采用玻璃钢材料。为保守起见，参考《材料与焊接规范》[9]中接受的最低材料标准，选取短切毡增强的玻璃钢层板。连接桥材料为普通Q235碳钢。玻璃钢材料属性见表4。

表4 玻璃钢材料属性 单位：N/mm2

3.4 螺栓强度校核结果

采用普通3.6级国标粗牙M16螺栓，螺栓极限强度计算式为

式(4)和式(5)中：TR和SR分别为螺栓的拉伸及剪切极限强度；Sσ为螺栓屈服极限；S为螺栓有效截面积。采用式(1)～式(3)计算螺栓载荷，各工况最大螺栓载荷见表5。

表5 各工况最大螺栓载荷 单位：N

最大螺栓载荷远小于螺栓极限强度，螺栓安全性足够。

3.5 螺栓孔附近强度校核结果

将表5中的最大螺栓载荷施加在节点1和节点2的有限元模型上，可得该船连接螺栓孔附近结构强度校核结果见表6。典型工况应力云图见图10。计算结果表明，螺栓孔处结构强度满足规范要求。

图10 节点1和节点2典型工况（LCx+y+）螺栓孔附近结构应力云图

4 结 语

本文设计了现场拼接式游览艇连接结构。考虑到拆装结构运输的方便性及现场施工的可行性，将整艇分为玻璃钢片体（2个）、连接桥和上层结构等3部分，其中玻璃钢片体在船厂加工成型。船厂加工标准工字钢与上层建筑构件，将其运输至现场之后焊接成连接桥和上层结构。玻璃钢片体和连接桥结构采用螺栓连接，并对局部铺层进行加厚。采用DNV.SESAM软件分析波浪载荷，并结合MSC.Patran/Nastran软件计算螺栓连接结构的强度。计算结果表明，螺栓及螺栓孔结构强度均满足相关规范要求，并留有一定的安全裕度。