拼接式游览艇螺栓连接结构设计与强度校核

（集美大学福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建厦门 361021）

摘要：为解决向景区运输成品游览艇的高成本问题，采用现场拼接式游览艇。该型游览艇的船体分段在船厂加工完成，并运输至现场进行拼装，可有效解决运输问题。为保证拼接过程的可操作性和船体结构的安全性，对拼接结构进行设计与强度校核至关重要。采用螺栓连接形式设计主船体与连接桥的拼装结构，并采用有限元法对螺栓连接结构进行强度校核。校核结果表明，设计的结构形式满足强度要求。

关键词：现场拼接式游览艇；螺栓连接；结构设计；强度校核

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：

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；

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

表2 装载工况

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；

Z X YI 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

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

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。

表6 连接螺栓孔附近结构强度计算结果单位：MPa

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。

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Structural Design and Strength Check of Bolted Connection of On-site Assembled Sightseeing Boat

（Key Laboratory of Ships and Ocean Engineering of Fujian Province, Jimei University, Xiamen 361021, China）

Abstract:Assembling sightseeing boat on-site is a good way to solve the problem of transportation from shipyard to scenic area and reduce cost. This means the hull segments are manufactured in the shipyard and then transported to the scenic area for assembly, which effectively simplifies the procedure of delivery. In order to ensure the operability of assembly and the safety of hull structure, the design and strength check of the structures are of vital importance. The bolted connection is designed for the main hull and the crossing structures, and the finite element method is used for the strength check of the bolted connection structures. The result shows that the structures designed in this way can meet the strength requirements.

Key words:on-site assembled sightseeing boat; bolted connection; structure design; strength check

作者简介：张晓莹，女，助理实验师，1988年生。2014年毕业于上海交通大学船舶与海洋工程专业，现从事船舶与海洋工程结构性能研究工作。