凹形拖樁的設計計算

劉 慶，劉 健，顧永新，王曉彬

（大連船舶重工集團設計研究有限公司，遼寧大連 116005）

凹形拖樁的設計計算

劉 慶，劉 健，顧永新，王曉彬

（大連船舶重工集團設計研究有限公司，遼寧大連 116005）

在集裝箱船上一般都用到凹形拖樁，凹形拖樁在集裝箱船的系泊過程中起關鍵作用。新的凹形拖樁國際標準ISO13799-2012，對凹形拖樁有了明確的規(guī)定。凹型拖樁的安全工作負荷是如何計算出來的是廣大設計者一直關心的問題。本文詳細地介紹凹型拖樁的安全工作負荷的計算方法。

凹行拖樁；計算工作負荷；彎曲應力

0 引言

在集裝箱航運業(yè)，丹麥的馬士基是行業(yè)的龍頭老大。它引領整個集裝箱航運的發(fā)展。由于受到2008年金融危機的影響，整個航運業(yè)普遍不景氣。世界的目光集中在馬士基，看它是如何應對危機。在金融危機期間，馬士基率先在韓國訂造十艘萬箱集裝箱船。吹響了整個行業(yè)訂造大型集裝箱船的號角。世界各國船東為了應對金融危機，效仿馬士基公司，競相訂造大型集裝箱船。原來適應小噸位集裝箱船的舾裝件已經不能滿足現在的要求，必須選用新的更大噸位的凹形拖樁。國際標準化組織ISO，這時候也順應市場發(fā)展的趨勢，在2012年推出了凹形拖樁標準ISO13799-2012。在集裝箱船上一般都用到凹形拖樁，它焊接在船體的外板上。在集裝箱船的系泊過程中，拖輪的拖拽繩直接套在凹形拖樁上，承受著巨大的載荷。所以，一般船東和船檢都要求凹形拖樁的設計計算書。由于ISO是在今年才推出有關凹形拖樁的國際標準，希望本文能給相關單位在寫凹形拖樁的設計計算書一定的借鑒。另外，我國船廠如果想在未來制定相關標準中有話語權，也需要了解相關的計算方法。否則，只能跟在別人的后面走。下面詳細給出了凹形拖樁的設計計算。

1 凹形拖樁設計計算

根據ISO13799-2012第5頁A.2 Loading中的A.2.2條款，對凹形拖樁有三種受力形式。針對安全工作負荷是75噸的凹形拖樁[1]，選用ZG200-400的鑄鋼材料，進行分析計算。

1.1 第一種情況的受力形式

拖輪的拖拽繩和拖樁距離海面是相同的高度[2]（見圖1）。

圖1 凹形拖樁的第一種受力情況

1.1.1 剪應力計算

1）受剪力面積S計算

圖2 承受剪力面積

1.1.2 彎曲應力的計算:

1）截面抗彎模量的計算

根據圖2所示，抗彎模量W=100×1662/6=459267mm3

2）彎曲應力計算

1.1.3 復合應力的計算

根據計算結果，凹形拖樁所受的復合應力是105MPa。凹型拖樁選用ZG200-400的鑄鋼。這種鑄鋼的σs=200MPa。

根據[σ]=0.85×200=170MPa，σ合<[σ]=170MPa。材料的許用應力[σ]=170MPa，大于復合應力105MPa。所以，材料合格。

1.2 第二種受力情況的分析計算:

圖3 凹形拖樁的第二種受力情況

如圖3所示,拖輪的拖拽繩與水平方向夾角是負16度，凹形拖樁的高度大于拖輪，這種情況表示集裝箱船在近似空載工況下。第二種情況下的受力分析計算如下。

1.2.1 受剪力面積計算：

承受剪力的面積S和第一種情況一樣。如圖2所示，承受剪力的面積為：

S=32584 mm2

1.2.2 剪應力τ的計算

τ=2×P×COS16/S=2×750×1000×COS16/32584= 44N/mm2

剪應力小于第一種受力情況。

彎曲應力σ=2×P×sin（16）×L/W

其中，P、L、W都和第一種受力情況一樣。

因此，彎曲應力小于第一種受力情況一樣。由于剪應力和彎曲應力都小于第一種受力情況。在第二種受力情況下，凹型拖樁的復合應力小于第一種情況，所以第一種情況合格，第二種情況一定合格。

1.3 第三種受力情況的分析計算

圖4 凹形拖樁的第三種受力情況

如圖4所示，拖輪的拖拽繩與水平方向夾角是30度，凹形拖樁的高度小于拖輪，這種情況表示集裝箱船在近似滿載工況下[3]。

第三種情況下的受力分析計算如下。

1.3.1 剪應力計算

1）受剪力面積計算：

如圖2所示，S=32584 mm2

2）剪應力τ的計算

1.3.2 彎曲應力計算

1.3.3 復合應力

根據計算結果，凹形拖樁所受的復合應力是111MPa。凹型拖樁選用ZG200-400的鑄鋼，這種鑄鋼的σs=200MPa。根據[σ]=0.85×200=170MPa，σ合<[σ]=170MPa。材料的許用應力[σ]=170MPa，大于復合應力111MPa。所以，材料合格[4]。

2 總結

以上計算是針對凹行拖樁的詳細設計計算。ISO對凹型拖樁給出三種受力情況。實際上，也給出了凹型拖樁的使用限制。舾裝設計人員在選用標準時，應嚴格遵守相關規(guī)定，不能超標選用。以上設計計算所用材料，沒有考慮材料、含硫量和含磷量。各船級社對含硫、磷量有不同的規(guī)定，設計者根據船舶入不同船級社，具體確定。

[1] 中國船舶工業(yè)總公司編寫. 船舶設計實用手冊(舾裝分冊)[S]. 國防工業(yè)出版社, 1997.

[2] ISO 13799-2012 The Ship’s Mooring and Towing Fitting - the Recessed Bitts [S]. 國際標準.

[3] 中國船舶工業(yè)總公司編寫. 船舶設計實用手冊(舾裝分冊)[S]. 國防工業(yè)出版社, 1997.

[4] 成大先主編. 機械設計手冊[M]. 化學工業(yè)出版社, 2008.

Design and Calculation of Recessed Bitts

Liu Qing, Liu Jian, Gu Yong-xin, Wang Xiao-bin
(Dalian Shipbuilding Industry Engineering and Research Institute Co., Ltd., Liaoning Dalian 116005, China)

Generally the recessed bitts are used on containers. The recessed bitts play a critical role in the mooring and towing fittings on containers. The new international standard for recessed bitts is ISO13799-2012 which includes definite rules for the recessed bitts. The designers concern on how to calculate the safe working load for the recessed bitts. The paper introduces the calculation of the safe working load for recessed bitts in detail.

recessed bitts; safe working load; bend stress

U674.13+1

A

10.14141/j.31-1981.2015.03.013

劉慶（1969-），男，高級工程師，研究方向：船舶舾裝設計。