用于應(yīng)急拖帶的巴拿馬導(dǎo)纜孔選型問題研究

倪偉平,翟帥帥

(上海船舶研究設(shè)計院,上海 201203)

用于應(yīng)急拖帶的巴拿馬導(dǎo)纜孔選型問題研究

倪偉平,翟帥帥

(上海船舶研究設(shè)計院,上海 201203)

針對應(yīng)急拖帶模式下的巴拿馬導(dǎo)纜孔受力及其強(qiáng)度問題，從拖帶模式和拖索角度入手設(shè)定導(dǎo)纜孔負(fù)載工況，借助有限元法，以導(dǎo)纜孔規(guī)格、孔體厚度、肘板數(shù)量為變量對導(dǎo)纜孔進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，同時考慮拖行限速的影響，根據(jù)應(yīng)力分析為導(dǎo)纜孔的選型提供建議。

應(yīng)急拖帶，巴拿馬導(dǎo)纜孔，強(qiáng)度校核，有限元法，拖行限速要求

隨著應(yīng)急拖帶功能被廣泛應(yīng)用于散貨船[1]，船舶在設(shè)計之初需考慮設(shè)置應(yīng)急拖帶設(shè)備，包括拖索、系泊屬具等。

根據(jù)散貨船共同規(guī)范要求，船舶配備的拖索力要遠(yuǎn)大于其系泊索作用力[2]，用于應(yīng)急拖帶的導(dǎo)纜孔將直接承受拖索的巨大負(fù)荷，導(dǎo)纜孔的選擇至關(guān)重要。

目前國內(nèi)最為廣泛的導(dǎo)纜孔標(biāo)準(zhǔn)是(GB 11586-89)《巴拿馬運(yùn)河導(dǎo)纜孔》，但該標(biāo)準(zhǔn)沒有給出相關(guān)導(dǎo)纜孔的安全載荷[3]，這為應(yīng)急拖帶導(dǎo)纜孔的選型帶來困難。對于上述用于應(yīng)急拖帶的導(dǎo)纜孔，船級社大多要求船舶設(shè)計者提供導(dǎo)纜孔強(qiáng)度計算報告。很多船東擔(dān)心現(xiàn)有規(guī)格的導(dǎo)纜孔不能夠滿足應(yīng)急拖帶的要求，而提出增大導(dǎo)纜孔規(guī)格的要求，其尺寸規(guī)格往往超出國標(biāo)范圍。

用于應(yīng)急拖帶的導(dǎo)纜孔選型問題頗為突出，但其歸根結(jié)底是導(dǎo)纜孔在拖索作用時的強(qiáng)度問題。

1. 拖索作用力分析

根據(jù)應(yīng)急拖帶樣本[4]，應(yīng)急拖帶基本模式為拖索一端與拖輪或者拖帶船舶連接，另一端通過位于被拖帶船舶上的導(dǎo)纜孔系于帶纜樁或者系泊絞車之上。

導(dǎo)纜孔受拖索作用，包括水平作用和垂向作用。垂向作用分為向上和向下兩種情況，其作用角度如圖1所示[5-6]。水平作用于導(dǎo)纜孔的拖索，其水平夾角可根據(jù)拖帶模式確定，這里假定在30°～90°之間。

圖1 導(dǎo)纜孔受力示意

拖索作用于導(dǎo)纜孔時，與導(dǎo)纜孔孔體表面圓弧段產(chǎn)生接觸，從而產(chǎn)生壓力，見圖2。假定該壓力沿拖索直徑在接觸面上均勻分布，接觸面長度可依照拖索角度確定。

圖2 拖索作用力示意

拖索通常作用于導(dǎo)纜孔的中部，而導(dǎo)纜孔中部通常設(shè)有水平和向下支撐肘板。實(shí)際拖帶過程中，拖索未必嚴(yán)格按照上述要求作用在有肘板支撐的部位，而是有一定的偏移量，其極限狀態(tài)是拖索剛好作用于支撐肘板中間部位。此外，由于導(dǎo)纜孔在支撐肘板之間的部分相對薄弱，導(dǎo)纜孔在制作之初可根據(jù)實(shí)際需要增加支撐肘板。以設(shè)置2組肘板和4組肘板舷墻式導(dǎo)纜孔為例，可獲得3組典型工況，如圖3。第一組工況包括工況1-1、工況2-1及工況3-1；第二組工況包括工況1-2、工況2-2及工況3-2；第三組工況包括工況1-2′、工況2-2′及工況3-2′。

圖3 導(dǎo)纜孔受力工況分析

2 應(yīng)急拖帶作用下巴拿馬運(yùn)河導(dǎo)纜孔強(qiáng)度分析

根據(jù)散貨船共同規(guī)范要求，散貨船要求配備的拖索力最大可達(dá)1 471 kN，拖索不考慮動態(tài)系數(shù)，假定拖索鋼絲繩直徑范圍為50～60 mm之間，選取國標(biāo)中BC450和BC500兩型巴拿馬運(yùn)河導(dǎo)纜孔，由此獲得以下數(shù)據(jù)，見表1。

借助有限元[7]法進(jìn)行強(qiáng)度分析，其衡準(zhǔn)為導(dǎo)纜孔在拖索作用時應(yīng)力不超過材料的屈服極限，導(dǎo)纜孔材料屈服極限為230 MPa。

2.1 第一組工況強(qiáng)度計算結(jié)果分析

當(dāng)拖索作用于肘板支撐的部位時，其應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在肘板處，孔體表面應(yīng)力相對較小，具體見表2。BC500型巴拿馬運(yùn)河導(dǎo)纜孔有限元模型及水平載荷下的典型應(yīng)力云圖，見圖4。

表1 導(dǎo)纜孔壓力載荷計算

表2 第一組工況強(qiáng)度計算結(jié)果

圖4 有限元模型及應(yīng)力云圖

應(yīng)急拖帶力達(dá)到最大要求時， BC450型導(dǎo)纜孔的強(qiáng)度基本達(dá)到極限，BC500型導(dǎo)纜孔還有一定的裕度。拖索對導(dǎo)纜孔的水平作用大于垂向

作用，而垂向作用中，向下作用大于向上作用。當(dāng)拖索水平夾角在30°～90°之間變化時，其水平合力減小，對導(dǎo)纜孔的作用也相應(yīng)減小，拖索夾角在45°左右時，對導(dǎo)纜孔的要求最為苛刻。

2.2 第二組工況強(qiáng)度計算結(jié)果分析

如表3所示，當(dāng)拖索作用于導(dǎo)纜孔水平肘板和垂直肘板之間時，孔體表面應(yīng)力高度集中，并高于材料屈服極限，而肘板應(yīng)力相對較小，肘板對孔體的支撐作用不明顯。導(dǎo)纜孔在支撐肘板區(qū)域?qū)儆诒∪醐h(huán)節(jié)，因此建議在應(yīng)急拖帶作業(yè)中，拖索定位應(yīng)盡量避開該區(qū)域，以免對導(dǎo)纜孔造成致命傷害，影響拖帶。

表3 第二組工況強(qiáng)度計算結(jié)果

2.3 第三組工況強(qiáng)度計算結(jié)果分析

針對上述分析結(jié)果中導(dǎo)纜孔所暴露出的問題，可通過增加肘板密度來提高導(dǎo)纜孔的強(qiáng)度，其計算結(jié)果見表4。

表4 第三組工況強(qiáng)度計算結(jié)果

從上述數(shù)據(jù)可以看出，對于設(shè)置4組肘板的導(dǎo)纜孔，拖索作用于支撐肘板之間的區(qū)域時，孔體表面應(yīng)力有所減小，降幅約10%左右，但依然高于或接近材料極限。由于新增肘板的設(shè)置，使得導(dǎo)纜孔薄弱區(qū)域明顯減小。

2.4 其他情況強(qiáng)度計算結(jié)果分析

此外，在應(yīng)急拖帶屬具的選擇過程中，有的船東會提出增大導(dǎo)纜孔形式，以此增加應(yīng)急拖帶的安全性。其途徑包括增大導(dǎo)纜孔型式或者增大導(dǎo)纜孔孔體厚度，例如選用BC600巴拿馬運(yùn)河導(dǎo)纜孔，增大導(dǎo)纜孔孔體厚度至45 mm。本文以國標(biāo)為基準(zhǔn)，給出BC600導(dǎo)纜孔基本尺寸的參考型式，見表5，同時就增大導(dǎo)纜孔孔體進(jìn)行分析，詳見表6。

表5 BC600導(dǎo)纜孔基本尺寸

表6 其他情況強(qiáng)度計算結(jié)果

對于BC600導(dǎo)纜孔，當(dāng)拖索作用在水平和垂直肘板處，滿足強(qiáng)度要求，并有很大的裕度，此時肘板對導(dǎo)纜孔的支撐作用是顯而易見的。但是當(dāng)拖索作用于肘板之間的部位時，孔體厚度雖然有所加大，拖索作用反而加重，此時支撐肘板對于改善孔體薄弱區(qū)域的影響不大。隨著導(dǎo)纜孔孔體尺寸增大，導(dǎo)纜孔重量會大大增加，對于小型船舶而言，反而是不利的。

根據(jù)計算可知，單純增加導(dǎo)纜孔孔體厚度對于提高導(dǎo)纜孔強(qiáng)度效果并不明顯，如果同時增加支撐肘板密度則可有效增大導(dǎo)纜孔強(qiáng)度，或可滿足最為苛刻的工況要求。

3 拖行限速要求對導(dǎo)纜孔強(qiáng)度分析的影響

船舶實(shí)際運(yùn)營中，如遇應(yīng)急拖帶，則需要根據(jù)天氣和海況限速，這一要求意在降低船舶拖帶阻力，提高拖索的安全載荷。中國船級社發(fā)行的《海上拖行指南》對船舶阻力和拖帶力有明確要求，天氣適度時，拖索力至少是拖行阻力的3倍，即拖索安全載荷為3；惡劣天氣時，拖索力至少是拖行阻力的5倍，拖索安全載荷為5。圖5清晰地表達(dá)了船舶阻力和拖帶力的關(guān)系，其中拖帶力最大不超多500 kN。

圖5 拖行阻力與拖帶力

基于上述要求，拖帶作用時，無論上述哪種工況，BC450型、BC500型導(dǎo)纜孔都完全滿足強(qiáng)度要求，可不必增大厚度。

4 結(jié)論

用于應(yīng)急拖帶的巴拿馬運(yùn)河導(dǎo)纜孔可根據(jù)拖索力進(jìn)行選擇，當(dāng)拖索力小于1 471 kN時，可采用BC450及以下規(guī)格；當(dāng)拖索力為1 471 kN時，建議采用BC500及以上規(guī)格的巴拿馬運(yùn)河導(dǎo)纜孔；導(dǎo)纜孔根據(jù)需要增加支撐肘板以提高導(dǎo)纜孔強(qiáng)度，同時通過加大肘板密度改善拖索的施力位置，降低對導(dǎo)纜孔的作用?；趪鴺?biāo)，BC600型巴拿馬運(yùn)河導(dǎo)纜孔無論在尺寸還是孔體厚度上都有較大變化，更適合大型船舶。

拖索力不變時，增大導(dǎo)纜孔型號可以有效降低拖索對導(dǎo)纜孔的破損。但拖索作用位置對導(dǎo)纜孔的破壞作用是至關(guān)重要的，因此建議拖索盡量作用在有肘板支撐的部位。

有限元方法本身受模型、載荷加載方式等因素限制，其計算結(jié)果往往與現(xiàn)實(shí)有一定的差異，但綜合考慮其衡準(zhǔn)原則，該校核方法是偏保守的。

拖行限速要求的實(shí)施，可以大大降低拖索力，從而保證導(dǎo)纜孔的正常工作。

本文借助有限元方法對應(yīng)急拖帶作用時巴拿馬運(yùn)河導(dǎo)纜孔強(qiáng)度進(jìn)行校核，為其選型問題提供了直接依據(jù)和合理建議，BC600型巴拿馬運(yùn)河導(dǎo)纜孔則增加了導(dǎo)纜孔規(guī)格，拓寬了選擇范圍。

[1] MSC.1/Circ.1255,Guidelines for owner/operators on preparing emergency towing procedures[S].International Maritime Organization,2008.

[2] IACS 002,Common structural rules for bulk carriers[S].International Association of Classification Societies,2012.

[3] GB11586-89.巴拿馬運(yùn)河導(dǎo)纜孔[S].國家技術(shù)監(jiān)督局,1990.

[4] IMO, An example of “emergency towing procedures”.international maritime organization[S].IMO,2008.

[5] OCIMF.Mooring equipment guidelines (MEG 3)[M].Oil Companies International Marine Forum,2008.

[6] ISO 13729, Closed choks[S].International Organization for Standardization,2012.

[7] 劉兵山,黃 聰.Patran從入門到精通[M].北京中國水利水電出版社,2003.

Selection of Panama Canal Chock for Emergency Towing

NI Wei-ping, ZHAI Shuai-shuai

(Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203, China)

Aiming at solving the selection of Panama Canal chock for emergency towing used on bulk carrier, the loadings and structural strength of the chocks in different towing patterns are analyzed by using the finite elements method. The towing line angles, acting positions, size of the chocks, thickness of the chock plates and the number of supporting brackets are considered as variable parameters in the strength analysis, and the towing limitation requirements are also taken into account. Some reasonable suggestions for selection of the chock are brought up based on the stress analysis.

emergency towing; Panama Canal chock; strength assessment; FEM; towing limitation requirement

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.011

2015-06-23

倪偉平(1981-)，男，碩士，工程師

U664.4

A

1671-7953(2015)06-0045-05

修回日期：2015-07-14

研究方向:船舶舾裝屬具結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

E-mail: sd2@sdari.com.cn