CN108974246B - 可分离式附加甲板吸能结构及其尺寸设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可分离式附加甲板吸能结构，包括附加甲板、滑道、控制系统和抬升机构；其中，滑道设置在船首甲板上，滑道的最前端铰接固定；附加甲板由吸能材料制成，可拆卸的连接在滑道上；抬升机构与滑道的后端连接，使得滑道能够在抬升机构的驱动下向上升起而倾斜；控制系统用于受控解开附加甲板与滑道之间的连接并驱动抬升机构抬起滑道，从而使附加甲板在倾斜的滑道上受重力作用滑出船首。本发明采用附加甲板的设计，平时可作为正常船首使用，不影响船舶作业，在发生船‑船碰撞、船‑桥碰撞在内的多种碰撞事故时，附加甲板伸出船首吸收碰撞能量，减少碰撞事故带来的损失。

Description

可分离式附加甲板吸能结构及其尺寸设计方法

技术领域

本发明属于船舶航行安全领域，具体涉及一种可分离式附加甲板吸能结构及其尺寸设计方法。

背景技术

船舶碰撞往往会引起人员伤亡，船只沉没，甚至环境污染等灾难性的后果，许多国家的研究者都试图寻找可以避免船舶发生碰撞事故的方法。目前，由于人为等诸多方面因素的影响，船舶碰撞事故还不可能完全杜绝。研究船舶碰撞问题的目的之一是增强船体结构的耐撞性，从而能够有效抵御各种偶然性载荷(碰撞、搁浅或爆炸等)。在大部分船舶碰撞事故中，船首通常会参与接触变形和能量吸收，因此船首碰撞及其结构改进问题是船舶碰撞的研究重点。

当船首-船侧正向垂直碰撞时，由于首部结构的刚度通常远远大于舷侧结构，舷侧结构的损伤明显严重于船首结构。目前国内外对首部结构进行“弱化”的缓冲船首设计是比较流行的设计理念。此外，纵观这些结构改进思想，它们都是以船-船碰撞事故为设计背景，当船舶与桥梁等大型水上结构物发生碰撞或船舶搁浅、撞底时，缓冲船首设计反而会增加首部结构的损伤变形程度，引起船舱进水、船体倾斜等严重后果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种可分离式附加甲板吸能结构及其尺寸设计方法，能够减少船体碰撞时的损失。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种可分离式附加甲板吸能结构，其特征在于：它包括附加甲板、滑道、控制系统和抬升机构；其中，

滑道设置在船首甲板上，滑道的最前端铰接固定；

附加甲板由吸能材料制成，可拆卸的连接在滑道上；

抬升机构与滑道的后端连接，使得滑道能够在抬升机构的驱动下向上升起而倾斜；

控制系统用于受控解开附加甲板与滑道之间的连接并驱动抬升机构抬起滑道，从而使附加甲板在倾斜的滑道上受重力作用滑出船首。

按上述方案，本结构还包括与附加甲板连接的限位机构，用于在附加甲板滑出船首后到达预定位置。

按上述方案，所述的限位机构包括钢缆和卷扬机，钢缆的一端绕在卷扬机上，另一端与所述的附加甲板连接。

按上述方案，所述的附加甲板通过轮锁固定在滑道上，轮锁由所述的控制系统控制。

按上述方案，所述的附加甲板由正六边形薄壁管竖向放置、铺在夹板内构成，其中薄壁管的首尾端部与夹板上下层链接。

按上述方案，所述的附加甲板的临界厚度t_cr按以下公式计算：

式中，F_max为碰撞力最大值，σ₀为材料的屈服应力，b为附加甲板的宽度。

按上述方案，所述的抬升机构为液压推动系统，包括主推杆、液压缸、液压泵和电机；主推杆在液压缸中滑动，主推杆的末端与滑道后端连接；

电机带动液压泵从油箱吸取液压介质，液压介质通过管道经节流阀和换向阀进入液压缸，推动活塞带动主推杆升起，液压缸排出的液压介质经换向阀流回油箱；所述的节流阀和换向阀分别由控制系统控制速度和方向。

按上述方案，本结构还包括设置在船首最前端的距离传感器，当检测到船首前端有物体与船首之间的间距小于预设的触发阈值时触发控制系统。

所述的可分离式附加甲板吸能结构的使用方法，其特征在于：

当船首前端有物体与船首之间的间距小于预设的触发阈值时，控制系统受控解开附加甲板与滑道之间的连接并驱动抬升机构抬起滑道后端，附加甲板在倾斜的滑道上在自身重力作用下滑出船首；

碰撞完成后，滑道后端降落回到甲板，回收附加甲板。

所述的可分离式附加甲板吸能结构的尺寸设计方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：

S1、建立碰撞损伤模型

所述的碰撞损伤模型中的模型构成如下：

内壳板碰撞损失面积

外壳板碰撞损失面积

纵桁或横框架损失面积分别为

和

舷侧结构的撞头部分的中间半径为R_C，纵桁或横框架所在平面与撞头的中心线距离λ，双层舷侧结构宽度B，纵骨高度h，撞头触纵骨数n。

内、外壳板，损伤区域无限趋近于圆形，损伤面积满足如下关系：

若碰撞深度为l，损伤面积表示为：

其中，R_C为进入舷侧结构的撞头中间部分的半径；

当发生接触的纵桁或横框架不处于撞头的中心时，即λ≠0，纵桁或横框架损伤面积表达为：

纵骨损伤面积

满足如下关系：

S2、进行一轮简化，建立吸能模型

分别建立以上各结构件的吸能简化公式，则总的碰撞吸能为：

式中，a_i为各结构件的吸能系数，σ₀为材料的屈服应力，t_i为各结构件的厚度；

附加甲板平均压溃强度P_m为

P_m＝σ₀(1.571∑b_it²+1.000∑tH²+0.500∑t²H)/(λ(2H))

式中，H为变形范围内的板长，b为板宽度，λ为有效压溃长度因子；

以H为变量求导得

令式等于0可以得到

再令P_m＝F_max，式中F_max为碰撞力最大值，求得附加甲板临界厚t_cr的方程：

本发明的有益效果为：采用附加甲板的设计，平时可作为正常船首使用，不影响船舶作业，在发生船-船碰撞、船-桥碰撞在内的多种碰撞事故时，附加甲板伸出船首吸收碰撞能量，减少碰撞事故带来的损失，并且整体采用电气化控制，确保需要时各装置能有效运转，同时降低了工作人员的危险性。

附图说明

图1为滑道结构示意图。

图2为液压推动系统结构示意图。

图3为附加甲板结构示意图。

图中：1.主推杆，2.滑道，3.距离传感器，4.换向阀，5.节流阀，6.溢流阀，7.液压泵，8.电机，9.过滤器，10.船首，11.附加甲板，12.抬升机构。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种可分离式附加甲板吸能结构，如图1和图3所示，它包括附加甲板11、滑道2、控制系统和抬升机构12；其中，滑道2设置在船首10甲板上，滑道2的最前端铰接固定；附加甲板11由吸能材料制成，可拆卸的连接在滑道2上；抬升机构12与滑道2的后端连接，使得滑道2能够在抬升机构12的驱动下向上升起而倾斜；控制系统用于受控解开附加甲板11与滑道2之间的连接并驱动抬升机构12抬起滑道2，从而使附加甲板11在倾斜的滑道2上受重力作用滑出船首10。

本结构还包括与附加甲板11连接的限位机构，用于在附加甲板11滑出船首10后到达预定位置。所述的限位机构包括钢缆和卷扬机，钢缆的一端绕在卷扬机上，另一端与所述的附加甲板11连接。

附加甲板11通过轮锁固定在滑道2上，轮锁由所述的控制系统控制。

发生碰撞时为了减少对于穿舷侧的破坏，就需要附加甲板按照可控制的方向发生形变。具体的，所述的附加甲板11由正六边形薄壁管竖向放置、密铺在夹板内构成，其中薄壁管的首尾端部与夹板上下层链接。把外径和壁厚之比大于20的钢管称为薄壁管，用一种具有良好力学性能以及耐腐蚀性的吸能材料制作而成，可以达到良好的吸能效果。附加甲板的临界厚度t_cr按以下公式计算：

式中，F_max为碰撞力最大值，σ₀为材料的屈服应力，b为附加甲板的宽度。

本实施例中，所述的抬升机构12为液压推动系统，如图2所示，包括主推杆1、液压缸、液压泵7和电机8；主推杆1在液压缸中滑动，主推杆1的末端与滑道2后端连接；电机8带动液压泵7从油箱吸取液压介质，液压介质通过管道经节流阀5和换向阀4进入液压缸，推动活塞带动主推杆1升起，液压缸排出的液压介质经换向阀4流回油箱；所述的节流阀5和换向阀4分别由控制系统控制速度和方向，改变节流阀5的开口可调节液压缸的运动速度。通过主推杆1的升降以改变滑道2的角度，使得上面的附加甲板11滑出船体。可选的，管路中还设有溢流阀6。

优选的，本结构还包括设置在船首10最前端的距离传感器2，当检测到船首10前端有物体与船首10之间的间距小于预设的触发阈值时触发控制系统。

可分离式附加甲板吸能结构的使用方法，当船首前端有物体与船首之间的间距小于预设的触发阈值时，控制系统受控(可以人为启动，也可以根据距离传感器等感知设备触发)解开附加甲板11与滑道2之间的连接并驱动抬升机构12抬起滑道后端，附加甲板11在倾斜的滑道2上在自身重力作用下滑出船首10。触发阈值根据不同的船舶进行设置。

本实施例中，轮锁解锁，电机8带动液压泵7从油箱吸油，液压泵7把电机8的机械能转换为液体的压力能，通过主推杆1推动滑道2尾部升起；改变节流阀5的开口可调节液压缸的运动速度，迅速完成主推杆1的升降以改变滑道2的角度，附加甲板11在自身重力的作用下俯冲而下。通过两根平行钢缆连接附加甲板11，使其精准到达预定位置并阻隔碰撞双方的直接接触。该步骤中的滑道2的角度根据不同的船舶进行设置。

碰撞完成后，滑道后端降落回到甲板，回收附加甲板。本实施例中，卷扬机高速运作通过两根平行钢缆带动附加甲板11回收，液压缸排出的液压介质经换向阀4流回油箱，改变节流阀5的开口可调节液压缸的运动速度，缓慢降低主推杆1以回收附加甲板11。

附加甲板应充分吸能而内壳板不破损且厚度刚度不宜过大以免影响船舶日常作业，因此本发明提供所述的可分离式附加甲板吸能结构的尺寸设计方法，确保设计出适合各类船型的附加甲板尺寸。本方法包括以下步骤：

S1、建立碰撞损伤模型

所述的碰撞损伤模型中的模型构成如下：

内壳板碰撞损失面积

外壳板碰撞损失面积

纵桁或横框架碰撞损失面积分别为

和

舷侧结构的撞头部分的中间半径为R_C，纵桁或横框架所在平面与撞头的中心线距离λ，双层舷侧结构宽度B，纵骨高度h，撞头触纵骨数n。

内、外壳板，损伤区域无限趋近于圆形，撞头最大半径为R_max，撞头顶部半径为R_top,损伤面积满足如下关系：

若碰撞深度为l，损伤面积表示为：

其中，R_C为进入舷侧结构的撞头中间部分的半径；

当发生接触的纵桁或横框架不处于撞头的中心时，即λ≠0，纵桁或横框架损伤面积表达为：

纵骨损伤面积

满足如下关系：

n为撞头触及到的纵骨数。

S2、进行一轮简化，建立吸能模型

分别建立以上各结构件的吸能简化公式，则总的碰撞吸能为：

式中，a_i为各结构件的吸能系数，σ₀为材料的屈服应力，t_i为各结构件的厚度；

附加甲板平均压溃强度P_m为

P_m＝σ₀(1.571∑b_it²+1.000∑tH²+0.500∑t²H)/(β(2H))

式中，H为变形范围内的板长，b为板宽度，β为有效压溃长度因子；

以H为变量求导得

令式等于0可以得到

再令P_m＝F_max，式中F_max为碰撞力最大值，求得附加甲板临界厚t_cr的方程：

以碰撞船舶为650.0DW(t)，碰撞速度为2m/s的客船为例，附加甲板结构参数如下：临界厚度为580mm，体积为15.66m³，六边形薄壁管壁厚5mm，开孔直径为60mm，孔间距50mm，材料选择耐候钢，弹性模量206Gpa，泊松比0.29，密度7850kg/m³，屈服强度295Mpa。

可分离式附加甲板结构施工安装流程如下：首先用现有的船舶舾装技术将液压装置、轨道等装置安装于船首部位，将附加甲板结构根据尺寸、材料要求进行加工生产，加工好后将附加甲板安装于滑道上，通过尾端铰链与钢缆连接。

可分离式附加甲板结构工作流程如下：受触发后，轮锁解锁，电动机带动液压泵从油箱吸油，液压泵把电动机的机械能转换为液体的压力能，通过活塞推动滑道尾部升起，附加甲板在自身重力的作用下俯冲而下。通过两根平行钢缆连接附加甲板，使其精准到达预定位置并阻隔碰撞双方的直接接触。

本发明结构设计合理，船舶改装及船舶舾装施工便利，且附加甲板可作为正常船首使用，不影响船舶作业。本发明提供吸能装置适用于包括船-船碰撞，船-桥碰撞在内的多种碰撞事故。附加甲板结构吸收碰撞能量，确保能减少碰撞事故带来的损失。开孔六边形薄壁管构成的附加甲板确保能量的有效吸收。本发明的装置采用电气化控制，确保需要时各装置能有效运转同时降低了工作人员的危险性。本发明提供附加甲板极限尺寸计算方法，方便设计出适合各类船舶的附加甲板。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可分离式附加甲板吸能结构，其特征在于：它包括附加甲板、滑道、控制系统和抬升机构；其中，

滑道设置在船首甲板上，滑道的最前端铰接固定；

附加甲板由吸能材料制成，可拆卸的连接在滑道上；

抬升机构与滑道的后端连接，使得滑道能够在抬升机构的驱动下向上升起而倾斜；

控制系统用于受控解开附加甲板与滑道之间的连接并驱动抬升机构抬起滑道，从而使附加甲板在倾斜的滑道上受重力作用滑出船首；

本结构还包括与附加甲板连接的限位机构，用于在附加甲板滑出船首后到达预定位置；所述的限位机构包括钢缆和卷扬机，钢缆的一端绕在卷扬机上，另一端与所述的附加甲板连接；

所述的附加甲板通过轮锁固定在滑道上，轮锁由所述的控制系统控制；

所述的抬升机构为液压推动系统，包括主推杆、液压缸、液压泵和电机；主推杆在液压缸中滑动，主推杆的末端与滑道后端连接；

电机带动液压泵从油箱吸取液压介质，液压介质通过管道经节流阀和换向阀进入液压缸，推动活塞带动主推杆升起，液压缸排出的液压介质经换向阀流回油箱；所述的节流阀和换向阀分别由控制系统控制速度和方向；

本结构还包括设置在船首最前端的距离传感器，当检测到船首前端有物体与船首之间的间距小于预设的触发阈值时触发控制系统；

当船首前端有物体与船首之间的间距小于预设的触发阈值时，控制系统受控解开附加甲板与滑道之间的连接并驱动抬升机构抬起滑道后端，附加甲板在倾斜的滑道上在自身重力作用下滑出船首；

碰撞完成后，滑道后端降落回到甲板，回收附加甲板。

2.根据权利要求1所述的可分离式附加甲板吸能结构，其特征在于：所述的附加甲板由正六边形薄壁管竖向放置、铺在夹板内构成，其中薄壁管的首尾端部与夹板上下层链接。

3.根据权利要求1或2所述的可分离式附加甲板吸能结构，其特征在于：所述的附加甲板的临界厚度t_cr按以下公式计算：

式中，F_max为碰撞力最大值，σ₀为材料的屈服应力，b为附加甲板的宽度。

4.权利要求1所述的可分离式附加甲板吸能结构的尺寸设计方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：

S1、建立碰撞损伤模型

所述的碰撞损伤模型中的模型构成如下：

内壳板碰撞损失面积

外壳板碰撞损失面积

纵桁或横框架损失面积分别为

和

舷侧结构的撞头部分的中间半径为R_C，纵桁或横框架所在平面与撞头的中心线距离λ，双层舷侧结构宽度B，纵骨高度h，撞头触纵骨数n。

内、外壳板，损伤区域无限趋近于圆形，撞头最大半径为R_max，撞头顶部半径为R_to_p，损伤面积满足如下关系：

若碰撞深度为l，损伤面积表示为：

其中，R_C为进入舷侧结构的撞头中间部分的半径；

当发生接触的纵桁或横框架不处于撞头的中心时，即λ≠0，纵桁或横框架损伤面积表达为：

纵骨损伤面积

满足如下关系：

S2、进行一轮简化，建立吸能模型

分别建立以上各结构件的吸能简化公式，则总的碰撞吸能为：

式中，a_i为各结构件的吸能系数，σ₀为材料的屈服应力，t_i为各结构件的厚度；

附加甲板平均压溃强度P_m为

P_m＝σ₀(1.571∑b_it²+1.000ΣtH²+0.2500Σt²H)/(β(2H))

式中，H为变形范围内的板长，b为板宽度，β为有效压溃长度因子；

以H为变量求导得

令式等于0可以得到

再令P_m＝F_max，式中F_max为碰撞力最大值，求得附加甲板临界厚t_cr的方程：

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