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波兰海事研究1（72）2012第19卷; 第52页-第56页 10.2478 / v10012-012-0007-5
对于克里斯特造船厂
的干船坞的内门设计
玛丽安博格丹尼库，博士，格但斯克理工大学
泽农格瑞克，博士，格但斯克理工大学，IDEK有限公司
摘要
本篇文章涉及到一个可移动式的钢制内闸门，该闸门设计被用于将一个宽度约为70米和长度约为380米的干船坞分离为两个部分。这个闸门将允许在船坞的两个分开的部分中独立地组装一些船舶结构。可以使得船坞的前面部分被填满水的同时，保证船坞后面部分是干的。这个闸门是由IDEK有限公司在2011年所设计出来的，而且该闸门不久就被建造完毕并被位于格丁尼亚的克里斯特造船厂所使用。
关键词：造船厂；干船坞；船坞内闸门；有限元强度分析
相关介绍
位于波兰的格丁尼亚的克里斯特造船厂专门从事于中型大小的船舶以及海上设施的建设。 这就是为什么需要一个内闸门来隔离开一个长度为380米的干船坞，以此来允许一些船体结构可以在船坞的两个部分中独立的组装。 这些结构中需要更多时间的来建造的部件，会在坞的后面部分中进行建造。同时，其他那些不长于130米的结构，可以在船坞的前面部分中被组装，然后被启动。
以运输一些结构或设备并在这个船坞后面部分进行组装为目的的船只，驳船或者浮箱可以进入这个船坞的前面部分。然后，起重能力达900吨的船坞龙门起重机可以将这些部件带到这个船坞的后面部分。作为客户，也就是克里斯特船厂就关于闸门方面提交了以下设计要求：
- 闸门的宽度（沿船坞所测量出的）应该尽可能的小，以避免占用船坞中太多的空间;
- 闸门的质量不应该超过400吨，以便于船坞龙门起重机操作;
- 船坞填满水时的最大水深为9.5米。
内闸门的概念和设计
干船坞的内闸门的一些实例在[1]中有所描述。
本文所讨论的这个闸门的设计具有一个与在[1]中所给出的示例稍微不同的一种结构。 它们在平行平面中的横截面和船坞对称的平面如图1中所示。
图1 该闸门的横向截面图：
- 在肋骨架平面中，b）在肋骨架之间
闸门是由屈服点为355 MPa的钢材所制成的，作为一面水密垂直墙。在其稍上部分，布置了一个3.5米宽和3.0米高的箱式结构。闸门的长度为70.3米，比船坞的稍上部分的宽度仅小0.15米。
如图1a所示的肋骨架的间距为2.5mu;m。肋骨架支撑水密壁的水平加强筋以0.75米的间隔被隔开。
图5和图6示出了一个闸门的有限元模型，有助于我们理解闸门的钢结构。
甲板的板和箱型结构的底部为10.0毫米厚。形成箱型结构的侧壁的板在闸门的中间部分为40毫米厚，在闸门侧边缘部分为30毫米。
闸门的水密垂直壁的厚度等于10毫米。
水密壁的水平加强筋被用以下形式排列出来：BP 180x8 - 在其稍下部分位置，BP 160x8 - 在其中部高度区域位置，BP 140x8 - 在其稍上部分位置。
如图1a所示出的垂直梁是在其稍下部分具有800times;10的腹板的T型梁，在其稍上部分具有800times;15的腹板。它们的凸缘在稍下部分为300times;20，在稍上部分为300times;40。在靠近闸门的侧边缘的区域中，一些T形梁变得稍微更小，因为它们被箱式结构更为有效地支撑在那里。
在设计的过程中，假定水的压力作用在垂直水密壁的侧面，也就是其梁和电镀加强筋所在的那一侧。
闸门的稍下边缘是由通过螺栓系统连接到船坞底部混凝土板的钢门槛所支撑的（如图2中所示）。密封系统的设计在图2中也有所示出。一个橡胶垫圈被放置在两个橡木板之间，直接传递由船坞前面部分的水填充到门槛结构所引起的载荷。这些板也限制了垫片的挠度值。
这个闸门是由船坞的龙门起重机放置在其工作位置的。首先，这个闸门被放置于接近门槛的位置。然后，连接到所述的门槛，连接到所述的侧支撑结构和连接到所述的闸门的特定转向扣被用于施加所述的垫圈的初始压缩。然后，填充船坞前面部分的水的压力作用在闸门水密壁上，从而来收紧闸门。
这个闸门在其侧边是由特殊的钢结构所支撑的。在其稍下部分，这个结构被焊接到这个船坞的瓦楞钢板壁。在其稍上部分，那个起支撑作用的钢结构通过螺栓连接到形成船坞的侧壁上并且搁置在瓦楞状的侧壁上的大块混凝土梁上。这些支撑结构已经在图3中有所示意性地展示出来了。
这些用于将载荷从闸门传递到支撑结构并且用于在其侧边缘处紧固闸门的系统与图2中所示的那些系统是有所类似的。
由填充水所引起的和作用在闸门上的横向力的相当大的一部分加载到如图1a所示的支撑垂直梁的箱型结构的稍上部分。这个力的剩余部分加载在位于门的稍下边缘处的门槛处。
这个闸门是由船坞的龙门起重机放置在其工作位置的。首先，这个闸门被放置于接近门槛的位置。然后，连接到所述的门槛，连接到所述的侧支撑结构和连接到所述的闸门的特定转向扣被用于施加所述的垫圈的初始压缩。然后，填充船坞前面部分的水的压力作用在闸门水密壁上，从而来收紧闸门。
这个闸门在其侧边是由特殊的钢结构所支撑的。在其稍下部分，这个结构被焊接到这个船坞的瓦楞钢板壁。在其稍上部分，那个起支撑作用的钢结构通过螺栓连接到形成船坞的侧壁上并且搁置在瓦楞状的侧壁上的大块混凝土梁上。这些支撑结构已经在图3中有所示意性地展示出来了。
这些用于将载荷从闸门传递到支撑结构并且用于在其侧边缘处紧固闸门的系统与图2中所示的那些系统是有所类似的。
由填充水所引起的和作用在闸门上的横向力的相当大的一部分加载到如图1a所示的支撑垂直梁的箱型结构的稍上部分。这个力的剩余部分加载在位于门的稍下边缘处的门槛处。
图 2.门槛结构和垫片系统
（译者注：图2中所出现的单词标注如下，STEEL TRESHOLD—钢制门槛；rubber gasket—橡胶垫片；oak plank—橡木板；bolt—螺栓；LOWER PART OF GATE—闸门的稍下部分；BOTTOM OF DOCK—船坞的底部。）
图3.船坞的侧壁的支撑结构：a）横断面，b）侧视图
（译者注：图3中所出现的单词标注如下，concrete girders—混凝土梁；supporting steel structure—起支撑作用的钢结构；corrugated steel side wall—瓦楞状的钢侧壁）
这个箱式结构在其端部是由连接到船坞侧面的特殊支撑结构所支撑的（如图3所示）。一个对于支撑箱型结构的端部的反作用力值的简单评估，所给出的结果是，等于作用在水密壁上的水压力的总力的三分之一。这是由此论文后文中进一步描述的有限元计算所证实的。
这就意味着对于9.5米的水深度，在这个箱式结构的每个端部处产生大约等于5MN的反作用力。如此之大的数值的反作用力需要施加在其稍上部分区域连接到混凝土船坞侧壁的一个坚固的钢支撑结构。此外，在这个橡木板和这个钢结构之间所产生的高的压力值，接近于这些板的强度。
在其端部支撑箱式结构的另一个问题是其由水压所引起的偏差有关的。该结构在端部支撑和相对于其纵向水平轴线所产生的扭转之间发生了变化——这是由在其稍下边缘处是通过门槛支撑这个闸门所产生的结果。这种类型的变形意味着反作用力必须沿着这个箱式结构的高度不均匀地分布。比起在这个箱型底部的水平处，在这个橡木板上的预期的许多更大的压力值被作用在这个箱型结构甲板的水平处，这导致板的强度和保持闸门水密这些方面上出现了一些问题。这意味着这个箱式结构的端部应当在受到扭转时具有相当的弹性——以使得这个甲板和这个底部水平面上的这些压力值之间的差异最小化。
这个箱型结构的这种性质是通过其端部的特殊结构所获得的。在每端2.5米的距离处，这种闭合的矩形横截面被一种开口型横截面所代替。这个水密壁一侧的结构的一部分被移除了，而且用一种坚固的凸缘被布置在那里而不是用箱型结构侧壁的一部分。此外，一个平台被布置在箱型结构的中等高度位置处。这个平台经受对应于箱式结构的端部处的反作用力的剪切力。在该结构的端部处布置有连接到这个平台和这个竖直水密壁的坚固的支架。由这些橡木板上所产生的压力值加载在它们的垂直边缘。
这个箱型结构的端部区域在图6中示意性地展示出来。在本文的过程中，以一个有限元模型的形式来开展评估这个闸门的结构强度。
这个闸门的垂直水密壁放置在这个箱式结构宽度的中间附近，以获得尽可能小的其垂直端边缘的位移值。沿着这个船坞的宽度指向的这些位移是由这个箱式结构的相当大的弯曲位移所引起的。在这个箱型结构的侧壁的平面上布置该水密壁将导致这些位移的值高达20毫米。这种相当大的位移值可能导致这些橡木板和这个橡胶垫片的损坏。所应用的解决方案允许将位移的最大值减小至2毫米这么小。
这个闸门的垂直水密壁放置在这个箱式结构宽度的中间附近，以获得尽可能小的其垂直端边缘的位移值。沿着这个船坞的宽度指向的这些位移是由这个箱式结构的相当大的弯曲位移所引起的。在这个箱型结构的侧壁的平面上布置该水密壁将导致这些位移的值高达20毫米。这种相当大的位移值可能导致这些橡木板和这个橡胶垫片的损坏。所应用的解决方案允许将位移的最大值减小至2毫米这么小。
图4.闸门钢结构网格图
有限元强度分析
对这个闸门结构进行一个有限元强度分析，以此来验证并校正通过最初的简单计算而获得的构件尺寸。这个有限元模型网格如图4中所示。四节点壳体有限元被用于表示这个箱式结构侧面和这个箱型结构的甲板的电镀，水密壁和梁腹板的电镀以及电镀加强筋。梁和加强筋凸缘都用梁单元来进行表示。
这个有限元模型受到来自，自由表面在船坞底部以上9.5米的水平面的水的压力。在有限元模型中，这个载荷作为一组集中力作用在水密壁水平加强筋与图1a所示的垂直梁相交的位置。
使用弹性杆系统在船坞纵向方向上支撑闸门。杆大致等同于橡胶垫圈的弹性。
沿着水密壁的下边缘，使用类似的一组垂直杆来在垂直方向上支撑该结构。
这个有限元模型计算的挠度如图5中所示。
这个闸门的最大挠度发生在这个箱型结构的稍上甲板的水平面，在对称的船坞平面。其数值为255毫米。由于这个箱式结构的弯曲引起的法向应力的最大值在其中间点附近的侧壁处达到了150MPa的水平。
这个垂直梁中的米塞斯应力的极端水平（如图1a所示）约为210MPa。这些应力发生在这个闸门的中央梁，靠近这个箱型结构的底部。
图5.闸门的挠度
有限元分析的这个结果表明，沿闸门稍下边缘的反作用力几乎均匀分布，而它们沿垂直边缘的分布却与均匀相差甚远。沿着这个箱体的高度边缘，这些橡胶板上的连续负荷的平均值以牛顿每毫米测量，比沿着垂直边缘的其余部分的这种负荷的平均值大约大十五倍。此外，在这个箱体甲板水平面处发生的这种负荷的最大值比在这个箱体底部水平面处发生的最小值大三倍。
图6有限元模型的箱端部分和在边缘的应力值
有限元分析的这个结果表明，沿闸门稍下边缘的反作用力几乎均匀分布，而它们沿垂直边缘的分布却与均匀相差甚远。沿着这个箱体的高度边缘，这些橡胶板上的连续负荷的平均值以牛顿每毫米测量，比沿着垂直边缘的其余部分的这种负荷的平均值大约大十五倍。此外，在这个箱体甲板水平面处发生的这种负荷的最大值比在这个箱体底部水平面处发生的最小值大三倍。
在这个箱子底部2米处，这些板条上的连续载荷的值比沿着这个箱型结构高度的平均值小约五倍。
这种负载分布导致了这些橡木板的强度和这个船坞的混凝土侧壁的强度的严重的问题。
在设计过程中考虑了这个结构的许多修改措施以获得沿着这个箱型结构的高度边缘的该负载的更均匀分布，但是不可能获得比上述那些更好的结果。沿着这个闸门的垂直边缘的连续反作用负载的这种不均匀分布是由这个箱型结构的扭转所造成的。该反作用负载必须产生扭矩值以平衡由这个箱型结构支撑水密壁的垂直梁引起的扭矩。该扭矩造成这个箱型结构端部的应力分布复杂。这个端部应当是具有相当有弹性的，使得仅在几米的距离上以允许这个箱型结构的横向横截面围绕纵向轴线旋转相当大的一个角度。另一方面，这种结构应该足够坚固以承受这样大的扭矩。这两个要求不容易同时完成。
在多次尝试之后，以图4中所示的形式的这个箱型结构的端部的设计被找到。这种开放式箱型结构横截面被应用在那里，在2.5米的距离上。
这些端部的有限元模型和安装在这个箱型结构侧壁平面中的强翼缘中计算的米塞斯应力值如图6所示。这个应力的最大值在那里达到了540MPa。在这个平面域中的应力分布还远不均匀，这是由于在水平和垂直的平面中的同时弯曲。有必要应用由屈服点等于690MPa的钢制成的60毫米厚的翼缘，而整个闸门钢结构由屈服点为355MPa的钢制成。
结语
- 这个闸门的设计显得相当简单，除了靠近于这个船坞侧壁的箱式结构端部区域。该结构应该是坚固的，并且同时，其局部是相当弹性的，以允许在其整个长度上的橡胶密封压缩，而不管这个船坞中的水位如何。同时满足这两个条件是一个相当困难的任务。通过使用试验和减少误差方法的许多修改措施以满足这两个条件，获得在其端部的相当复杂的闸门结构。
- 该船闸已成功用于克里斯特造船厂。
参考书目
- 马祖克维奇：干船坞的设计以及建设，海湾出版公司图书事业部，1981年。
联系作者
玛丽安博格丹尼库，科学博士，英国
泽农格瑞克，科学博士，英国
海洋工程与船舶技术学院
格但斯克理工大学
纳鲁托维奇11/12
80-233格但斯克，波兰lt;
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