基于工程船远洋运输的枕木设计与分析

张乐

摘 要：工程船通常采用半潜船干拖的方式进行远洋运输，而工程船的重量可以达到万吨，甚至几万吨级。利用枕木的优化设计来改善远洋运输途中工程船自身结构受力特性，以及工程船对半潜船甲板荷载的分布，使半潜船及工程船的结构在强度校核中满足规范要求。本文将结合DNV和ABS船级社规范，使用规范的方法对工程船远洋运输的枕木进行设计与分析，并对枕木强度进行校核。

关键词：工程船;远洋运输;枕木设计;强度校核

中图分类号：U662            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）05-0075-03

枕木具有很好的力学性质，尤其是顺纹的硬木，其抗拉和抗压强度均较高。

工程船通常采用半潜船干拖的方式进行远洋运输，而工程船的重量可以达到万吨，甚至几万吨级。受枕木力学特性的影响，工程船作用在枕木上方的载荷，可以比较均匀的传递到半潜船甲板上方。利用枕木的优化设计来改善远洋运输途中工程船自身结构受力特性，以及工程船对半潜船甲板荷载的分布，使半潜船及工程船的结构在强度校核中满足规范要求。

本文旨在根据以往实际项目中的一些经验，并结合DNV和ABS船级社的规范要求，就大型浮式工程船等重大件货物远洋运输枕木的设计与分析方法，作基本介绍。

1 枕木设计的基本原则

应用到工程船远洋运输的枕木，应遵循以下方案设计的基本原则：

（1）使用竖纹硬木类型的枕木;

（2）枕木应布置在半潜船甲板上方，同时确保所有枕木的设计位置在工程船强肋位的正下方;

（3）枕木应使用钢结构作为固定单元，并将钢结构焊接至半潜船甲板上。这样可以防止当半潜船进行下潜作业时，枕木与半潜船甲板分离而漂浮在海面上;

（4）参考工程船摆放在半潜船上的重心位置，将枕木布置在工程船底部的范围较大的区域，同时尽量布置的均匀，即确保枕木质心位置与工程船重心的水平位置偏差较小。这样可以避免单侧枕木受力过大而造成损坏的情况发生。

2枕木设计与分析步骤

2.1 枕木质心及剖面模数计算

本节所提及的枕木质心和剖面模数的计算，均是对枕木上表面的受压面而言的。典型工程船远洋运输的枕木布置，见图1。

2.1.1枕木质心

首先，以半潜船甲板中纵剖面船尾处为坐标原点，定义平面坐标系x10y1：x1轴正向由船尾指向船首，y1轴正向由船中指向左舷。分别计算各块枕木投影到半潜船甲板上的面积，同时量取投影面积中心至x1、y1轴的距离。其中，在y1轴正向的距离取正值，在y1轴负向的距离取负值。

其次，计算所有枕木总的投影面积。同时，分别计算各块枕木的投影面积对x1、y1轴的静距，然后叠加求和，从而得到所有枕木对x1轴、y1轴总的静距。枕木投影面积对x1、y1坐标轴的静距为[1]

Sx=∑（Ai×Yi）

Sy=∑（Ai×Xi ）

式中：

Ai ：枕木投影面積;

Yi ：枕木投影面积中心至x1轴的垂直距离（考虑正、负号）;

Xi  ：枕木投影面积中心至y1轴的垂直距离。

因此，所有枕木在半潜船甲板上投影的质心在x10y1坐标系下的坐标为[1]

式中：Asum为枕木受压面积总和。

2.1.2枕木剖面模数

将坐标系平移至上述求得的枕木质心处，并更改坐标系为X0Y，如图1。

首先，量取各块枕木投影面积中心至新坐标系下X、Y轴的垂直距离，计算各块枕木投影面积对X、Y轴的惯性矩;然后，将各个惯性矩叠加求和。枕木投影面积对X、Y轴的惯性矩，可使用如下公式求解[1]：

式中，

Ai：枕木投影面积;

bix：枕木与X轴平行方向的长度;

hix：枕木与X轴垂直方向的宽度;

Yi：枕木投影面的中心至X轴的垂直距离;

biy：枕木与Y轴平行方向的长度;

hiy：枕木与Y轴垂直方向的宽度;

Xi：枕木投影面的中心至Y轴的垂直距离。

当枕木受到一定的弯矩载荷时，在距离枕木质心的最远端位置，其枕木剖面模数最小，从而枕木所受到的压力最大。枕木在弯矩载荷作用下的压力分布，见图2。

枕木最小剖面模数计算公式为

式中，

Ydist：枕木最远端至X轴的垂直距离;

Xdist：枕木最远端至Y轴的垂直距离。

对于自升式平台等强肋位结构倾斜的工程船而言，枕木长度方向与工程船强肋位结构同样进行平行布置。计算枕木质心的方法与上述情况一致;而计算枕木对质心的惯性矩时，需要先计算各块枕木在自身局部坐标系下的惯性矩，然后再使用转轴公式计算各块枕木在全局XOY坐标系下的惯性矩。枕木局部坐标系与全局坐标系XOY的关系，见图3。

图中，β为局部坐标系与全局坐标系的夹角。

参考材料力学转轴公式，枕木在局部坐标系和全局坐标系下的惯性矩关系式如下[1]：

式中：

Ix'：枕木对局部坐标系轴的惯性矩;

Iy'：枕木对局部坐标系轴的惯性矩;

Ix：枕木对全局坐标系X轴的惯性矩;

Iy：枕木对全部坐标系Y轴的惯性矩。

2.2 枕木静压力及偏心压力计算

当半潜船处于完全静止状态的海水中时，在工程船自身重量的作用下，枕木会受到压力的作用。此时，枕木所受到的压力为静压力，其计算公式为：