一种自由抛落式船舶救生设备艇架设计与优化

索小娟，张念淮

(河南省智慧教育与智能技术应用工程技术研究中心，河南 郑州 450052)

0 引 言

随着我国经济的增长和国际地位的提高以及经济的全球化，我国与世界各国之间的进出口贸易往来愈发频繁，海洋运输业得到了很大的发展。繁荣发展的航海贸易事业对于各种救生配套设备也产生了迫切的需求。一般而言，救生艇架基座和支撑结构是避免人员伤亡的重要因素[1-3]。基座承受的载荷较为复杂，不仅需要承受吊艇架产生的正应力，还需要考虑在工作时所受基座的剪切力，从而提升救生艇的可靠性和安全性。基于此，将重点关注抛落式救生艇的工业产品设计、逆向思考、一般常规与求异、内部工程设计构造以及结构设计等方面，为抛落式救生艇的设计提供更多的参考依据，从而更好地满足其应用的特点与必要性。在解决方案中，设计思路可能会受到一定的限制，从外形、结构和工程设计上都很难取得突破，但是，通过不断的努力和改进，可以在较长时间内形成一个稳定的结构来解决复杂的问题，从而获得更好的解决效果，为抛落式救生艇的发展带来更多的机遇和挑战。

1 自由抛落式救生艇的设计

1.1 基本设计思路

救生艇在工作过程中会因倾覆力矩和自身重力荷载的作用，将承受到的力借助基座传递至配套支撑结构上[4-6]。因此，为了有效降低救生艇在船舶运行过程中发生意外的概率，保证作业人员生命安全，采取自由抛落式的救生艇，将有效缓解救生装置的载荷。并且，考虑到救生艇基座支撑结构复杂，因此在此次设计中，基座俯视图如图1 所示。其中原图纸结构为每20°一个，共18 个支撑肘板，在建模过程中为方便网格协调改为14 个，每25.7°增加加强板，且为确保强度不受影响，验证二者应力相差甚微，肘板厚度仍采用图纸尺寸为10 mm。

图1 基座俯视图Fig.1 Top view of base

图2～图4 为自由抛落式的船舶救生设备艇架，其基座呈椭圆状，总高560 mm，内部开有一直径940 mm、壁厚14 mm 的圆筒。基座台面共设有36 个直径22 mm的螺栓孔，用于固定。基座下与8 mm 厚的第一甲板直接相连，相连处采用一圈尺寸为FB300×18 扁钢作为底部支撑。

图2 救生艇架基座A 剖面图Fig.2 Section A of lifeboat frame base

图3 救生艇架基座剖面图Fig.3 Section of lifeboat frame

图4 救生艇架基座B-B 剖面图Fig.4 Section B-B of lifeboat frame base

下层的设计有纵横各1 道T 型材和2 道横向角钢支撑，垂向还有一支柱在基座圆心正下方，该支柱直径133 mm，壁厚8 mm，与纵横T 型材连接保障支撑，高度从第一甲板直穿至主甲板，保证构件应力能合理传递。采取左舷一侧开口，舷侧内包含多个T 型材与L 型材，右侧舱壁由两根立柱支撑在扁钢上。

基座下骨材尺寸（单位：mm）设计为：

1.2 模型范围

建模的设计原则需要严格遵循中国船级社（CCS）《船舶与海上设施起重设备规范》第三章要求，并按照《油船结构强度直接计算指南》规范，对此次的设备改装展开设计。

救生艇架模型，纵向范围#45 肋位到#58 肋位，垂向范围从主甲板到第一甲板高3 050 mm。在自由抛落式的舰船救生艇设计上，对各构件的有限元模型加以完善。

如图5 所示，将抛落式救生艇核心舱段一分成四（200 mm×200 mm），通过前置的燃油机提高了艇体前端的重力，使艇体重心和涌水量方向相同，独立的螺旋桨舱对激励系统也具有相应的防护功能，而加长的力量传动设备则在减速带状况下比较易受到破坏。此外，此次设计还引入球鼻艏，起到降低船体兴波阻力作用，为反方向抛落救生艇创造良好构造环境。

图5 救生艇架基座及支撑结构有限元模型Fig.5 Finite element model of lifeboat frame base and support structure

2 抛落式救生艇的改良

2.1 抛落式救生艇存在的问题和实质

抛落式救生艇是针对海事救助而设计的一类全封闭救人船舶，目前广泛安装在大中型邮轮、货轮及其深海区的工作平台上。当重大灾害出现时，可以快速载人脱离险境。然而在实际运用过程中仍存在着许多问题，特别在艇体入水瞬间发生的强大水流冲击力，对艇体和艇内工作人员的生命安全均有很大威胁。

按照抛落式救生艇的工作特性，可以将其入水流程概括为轨道滑行、自由落体、涌水量和航行速度4 个阶段。首要问题是将其入水中，在这一过程中艇身的局部结构瞬间受到了大量水流冲击负荷，而此乃救生活动成败的关键。目前常规上比较成熟的方案都是采用增加艇体局部厚度及增设加强肋结构，以提高整体强度，对抗巨大水流载荷，而这些方案都需要进行细致的测算，使救生艇在设计滑落高度范围内下滑至水中时，具有足以对抗强大水流所致压力的整体结构强度。此类方案无疑会使艇体重量显著增加，而振动以及碰撞也将会降低工作人员的舒适性和艇内设备的安全性，并且由于救生艇需要充足的动能在降至海面后快速驶出与沉船之间产生的涡流区域，所以对救生艇动力装置的保障如若失灵，则逃逸任务也将前功尽弃。抛落式救生艇除了一定要在外形造型设计上加以改进之外，座舱设计仍有待于进一步改进。为了让乘客在抛落时能够获得更好的支撑，设计一种倒行舱椅。据此，总结出以下2 个方面：

1）需要更加完善的造型设计，达到减少下水的震荡和颠簸的效果，从而可以更好地保障艇载动力装置的安全和稳定。

2）为了维持艇载动力设备的正常运行，必须采取措施，减少抛落式救生艇入水时产生的巨大压力，并且改善艇内的座舱布局，以提升乘客的舒适度。因此，要想有效地减轻振动、颠簸等不利因素，必须采取有效的措施解决这一矛盾。

2.2 抛落式救生艇的优化

通过对抛落式救生艇的设计进行改进，可以实现其传统的优势，具体思路如下：

1）由于激励装置和座舱的设计，使得艇身的中心结构偏向于船体的前端或后端，从而导致船舶在抛锚时，先是轻微的，然后是沉重的，内部受力不均，从而容易引发船体破裂、振动和凸点的加剧；

2）桨和操纵舵叶都是独立于船体的，能够承受巨大的水压，但也容易受到外界的干扰。

基于以上思路，对自由抛落式的船舶救生设备艇架加以优化，不仅能够满足船员的安全保障，同时加采用固船体、安装座椅等技术手段，也可以增加船舶结构的完整性、密封性，并且减少入水时的水流阻力，从而达到更好的安全效果。

救生艇结构受力分布图如图6 所示，优化后的结构局部如图7 所示。

图6 救生艇结构受力分布图Fig.6 Force distribution diagram of lifeboat structure

图7 优化后的结构局部Fig.7 Optimized structure local

优化各工况应力如表1 所示。强度校核如表2 所示。

表1 优化本设计各工况的应力汇总Tab.1 Stress summary of each working condition of optimization design

表2 本设计的强度校核Tab.2 Strength check of this design

通过对比模型优化前后的应力云图并分析，发现减小支撑结构的腹板以及肘板厚度后，本文设计的自由抛落式的船舶救生设备所受的最大应力基本保持不变，可见改变支撑结构腹板和肘板厚度，荷载对基座应力的影响很小，对支撑结构处梁的正应力影响稍大，对梁的剪应力影响也很小。据此，说明本次的设计方案可取。

3 结 语

对于本次救生艇架基座和支撑结构的设计，通过对基座甲板下方的支撑结构进行优化，板单元的最大应力值没有发生太大的变化。在应力满足规范条件下，与规范值相比还有足够余量的时候，从经济性方面考虑，可以最大限度地减少支撑结构。其中还可以减小基座钢材的厚度，降低材料使用。因为甲板厚度是根据船体建造规范强度所设定的，以减小基座的厚度，省去不必要的支撑结构钢材用量，在保证强度的同时还可以简化加工工艺，降低了建造的成本。