系泊設(shè)備下結(jié)構(gòu)加強的安全性設(shè)計

舒 展

(天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612)

系泊設(shè)備下結(jié)構(gòu)加強的安全性設(shè)計

舒 展

(天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612)

以某集散兩用船為例，利用大型結(jié)構(gòu)分析軟件MSC Patran/Nastran，對該船尾部系泊設(shè)備下船體支撐結(jié)構(gòu)建立尾部有限元模型，通過對系泊設(shè)備在各種組合載荷工況下的受力分析和強度計算，校核并完善加強結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，達到優(yōu)選方案的目的，并滿足相關(guān)規(guī)范要求，保證結(jié)構(gòu)強度，保證船舶在運營中尾部系泊設(shè)備的使用安全以及對船舶尾部結(jié)構(gòu)安全性的考慮。

系泊；有限元；加載；強度計算；安全性設(shè)計

0 前 言

隨著經(jīng)濟全球化的影響，船舶在航行區(qū)域和航程上擴寬擴大，遇到的海況也隨之增加。船舶系泊設(shè)備作為船舶固定裝置的重要設(shè)備，對于船舶各種載荷下的受力分析尤為重要，建議利用先進的計算機程序進行多角度、多個載荷工況下的強度校核。尤其在遇到臺風的情況下，船用系泊設(shè)備在停靠碼頭時，所遇到的沖擊力極大，想要船舶不被臺風帶走，避免經(jīng)濟損失，保證船舶系泊設(shè)備的安全性設(shè)計不得不精打細算，且在尾部結(jié)構(gòu)系泊設(shè)備加強的設(shè)計中，既要保證船舶結(jié)構(gòu)的強度和施工方便，又要考慮到結(jié)構(gòu)的安全性和強度要求。

另外，船舶在營運過程中，經(jīng)常需要進行拖帶和系泊作業(yè)，拖帶和系泊設(shè)備需承受較大的載荷。隨著船舶安全性要求的不斷提高，船舶系泊設(shè)備的強度問題越來越引人關(guān)注，系泊設(shè)備加強結(jié)構(gòu)的損壞嚴重影響船舶的經(jīng)濟性和安全性。而事實證明，系泊設(shè)備加強結(jié)構(gòu)的損壞在很多情況下與對加強結(jié)構(gòu)強度考慮不周有關(guān)。

隨著電子計算機的不斷發(fā)展，特別是近年來軟、硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，利用有限元計算軟件對船體結(jié)構(gòu)進行分析驗算，已成為當前結(jié)構(gòu)設(shè)計中十分重要的環(huán)節(jié)。

本文采用大型結(jié)構(gòu)分析軟件MSC Patran/Nastran，對某集散兩用船尾部系泊設(shè)備下支撐結(jié)構(gòu)建立尾部有限元模型，通過結(jié)果分析并完善結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，使得系泊設(shè)備下支撐結(jié)構(gòu)滿足船級社及相關(guān)規(guī)范的要求，確保船舶使用的安全性。

1 尾部系泊設(shè)備布置及有限元模型

1.1 尾部系泊設(shè)備布置

本船尾部共設(shè)置3個導纜孔、4個五滾柱導纜器、3個帶纜樁和2個羊角滾輪導纜器，對稱分布于上甲板左右舷，具體位置及編號如圖1所示。

圖1 尾部系泊布置

1.2 尾部結(jié)構(gòu)有限元模型

系泊設(shè)備下加強結(jié)構(gòu)計算屬于局部結(jié)構(gòu)校核的范疇，選取系泊設(shè)備位置處甲板結(jié)構(gòu)，邊界延伸到強構(gòu)件上即可，邊界選取的原則是盡可能減小邊界條件對中心區(qū)域的影響，但考慮系泊設(shè)備在尾部甲板的分布情況，本次有限元計算建立整個尾部甲板模型，有限元模型如圖2所示。

圖2 尾部甲板有限元模型

船體的各類板結(jié)構(gòu)，強橫梁、縱桁、肋骨等的腹板以及艙壁采用4節(jié)點板殼單元模擬，盡量避免使用3節(jié)點板殼單元。

次要構(gòu)件以及主要構(gòu)件的面板和加強筋采用梁單元模擬，并考慮偏心。

系泊設(shè)備位置處的縱骨、加強筋等的腹板也應(yīng)采用板殼單元模擬，面板用梁單元模擬。

參考相應(yīng)標準，建立系泊設(shè)備底座模型。

1.3 結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)規(guī)范要求，所有構(gòu)件考慮2 mm的腐蝕增量。

1.4 材料屬性

船體所用材料為鋼材，取彈性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85 t/m3。

2 設(shè)計載荷

主要考慮工作載荷對結(jié)構(gòu)的影響，同時還考慮結(jié)構(gòu)自重的影響。

2.1 拖帶設(shè)備

拖帶設(shè)備下支撐結(jié)構(gòu)的最小設(shè)計負荷應(yīng)為下列(1)或(2)適用的任一數(shù)值，除非船用配件由申請者規(guī)定更大的安全工作負荷(Safe Working Load, SWL)。

(1) 用于正常拖帶操作(如港區(qū) / 調(diào)遣) 的設(shè)計負荷應(yīng)為拖帶與系泊布置計劃指示的預期的最大拖帶負荷(如系柱靜拖力)的1.25倍。

(2) 對于其他拖帶服務(wù)(如伴航)，應(yīng)為CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第2分冊中表 3.2.1.1(2)舾裝數(shù)N對應(yīng)的拖索的破斷負荷。

2.2 系泊設(shè)備

作用于船舶配件及船體支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計負荷應(yīng)為CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第2分冊中表 3.2.1.1(2)舾裝數(shù)N對應(yīng)的系索破斷負荷的1.25 倍。

舾裝數(shù)N按下式計算：

式中 ： Δ為夏季載重線下的型排水量，t；B為船寬，m；h為從夏季載重線至最上層艙室頂部的有效高度，m。對最下層的層高hi從上甲板中心線量起，或具有不連續(xù)上甲板時，從上甲板最低線及其平行于升高部分甲板的延伸線量起，即h=a+∑hi,其中：a為從船舯夏季載重水線至上甲板的距離，m；hi為各層寬度大于B/4 的艙室，在其中心線處量計的高度，m；A為船長L范圍內(nèi)夏季載重水線以上的船體部分和上層建筑以及各層寬度大于B/4 的甲板室側(cè)投影面積總和，m2。

本船拖索破斷負荷1 471 kN，系泊索破斷負荷490 kN，系泊設(shè)備安全工作負荷如表1所示，則得到系泊設(shè)備的設(shè)計載荷如表2所示。

表1 系泊設(shè)備安全工作負荷 t

表2 系泊設(shè)備設(shè)計載荷 t

3 設(shè)計工況

載荷的作用點應(yīng)是系泊索或拖索的附著點或繩索方向變化處。導纜孔和導纜器受力如圖3所示，規(guī)定逆時針為正。

定義F為設(shè)計載荷，α為入纜角度，一般為定值；β為xy平面的出纜角度，γ為出纜在自身垂直平面內(nèi)與水平面的夾角，F(xiàn)x1，F(xiàn)y1分別是入纜對導纜孔的合

圖3 導纜孔、導纜器受力示例

力在x，y方向的分量；Fx2，F(xiàn)y2和Fz2分別是出纜對導纜孔的合力在x，y和z方向的分量，F(xiàn)xtotal，F(xiàn)ytotal和Fztotal分別是導纜孔總合力在x，y和z方向的分量，那么Fxtotal=Fx1+Fx2

Fytotal=Fy1+Fy2

Fztotal=Fz2式中：Fx1=F·cosα；Fy1= F·sinα；Fx2= F·cosγ·cosβ；Fy2= F·cosγ·sinβ；Fz2= F·sinγ。

篇幅所限，僅以導纜孔A1為例。A1導纜孔的設(shè)計載荷F=1 500 000N；入纜角度α=66°；xy平面的出纜角度β范圍從90°～270°，計算取90°，135°，180°，225°，270° 等5個角度；出纜在自身垂直平面內(nèi)與水平面的夾角γ的范圍從30°～-60°，計算取30°，0°，-30°，-60° 等4個角度；那么組合起來A1導纜孔總共有20個計算工況，各工況受力如表3所示。

表3 A1導纜孔受力情況

續(xù)表3 A1導纜孔受力情況 N

4 有限元計算結(jié)果

篇幅所限，僅對A1導纜孔進行分析。A1導纜孔原加強方案如圖4和圖5所示，縱向方向在底座底下加設(shè)板厚15 mm肘板，橫向方向在靠近尾封板的底座下加設(shè)扁鋼FB 200×15，另一邊加設(shè)球扁鋼HP 140×9。

圖4 A1導纜孔原加強方案

圖5 A1導纜孔原加強方案有限元模型

從計算結(jié)果來看，在大部分工況下，結(jié)構(gòu)的相當應(yīng)力已大于結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力值，強度不滿足規(guī)范要求，需對原加強方案進行修改。

從結(jié)果應(yīng)力云圖來看，原方案初步作如下修改：

(1) 肘板板厚修改為25AH36;

(2) 扁鋼FB 200×15修改為FB 200×25AH36;

(5) 甲板局部加厚，A1導纜孔附近甲板由9.5 mm修改為15AH;

(6) 尾封板改為高強鋼，由原來板厚13 mm改為13AH;

(7) 球扁鋼HP 140×9改為肘板，肘板板厚25AH36。

根據(jù)上述修改方案，修改有限元模型，重新進行計算。從計算結(jié)果分析，結(jié)構(gòu)相當應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力值，強度滿足規(guī)范要求。但是從有限元模型可以看到，加強之間的空間比較狹小，現(xiàn)場施工會較為麻煩，需對方案進行一些修改，減小施工難度，修改后的最終方案如圖6和圖7所示。說明如下：

圖6 A1導纜孔最終加強方案

圖7 A1導纜孔最終加強方案有限元模型

(1) 肘板板厚修改為25AH36;肘板向中間傾斜15°;

(2) 扁鋼FB 200×15修改為FB 200×25AH36;扁鋼焊接到尾封板上;

(5) 甲板局部加厚，A1導纜孔附近甲板由9.5 mm修改為15AH;

(6) 尾封板改為高強鋼，由原來板厚13 mm改為15AH;

(7) 球扁鋼HP 140×9改為肘板，肘板板厚25AH36。

根據(jù)上述修改方案，再次修改有限元模型，重新進行計算。從計算結(jié)果分析，在各個工況下，結(jié)構(gòu)的相當應(yīng)力均小于結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力值，強度滿足規(guī)范要求。各工況A1導纜孔下支撐結(jié)構(gòu)的屈服強度如表4所示，典型工況下的應(yīng)力云圖和變形云圖如圖8和圖9所示。

表4 A1導纜孔下支撐結(jié)構(gòu)的屈服強度 N/mm2

5 結(jié) 論

圖8 LC_A1_02相當應(yīng)力云圖

圖9 LC_A1_05相當應(yīng)力云圖

本文通過有限元計算軟件MSC.Patran/Nastran,從系泊設(shè)備工作狀態(tài)下的各種載荷工況出發(fā)，對系泊設(shè)備下船體支撐結(jié)構(gòu)的強度進行分析，并根據(jù)計算結(jié)果分析完善原有加強方案，在兼顧生產(chǎn)施工的同時使得系泊設(shè)備下船體支撐結(jié)構(gòu)在各種載荷工況下的強度均滿足規(guī)范要求，由此保證船舶系泊設(shè)備下結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性，并且使得船舶系泊設(shè)備下結(jié)構(gòu)加強的設(shè)計更加優(yōu)化和實用，減少占用船舶甲板下艙內(nèi)的有效空間，達到有效利用和經(jīng)濟性能指標的優(yōu)化，并能滿足抵抗臺風載荷下結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性要求。

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Structural Safety Design under Mooring Equipment Reinforcer

SHU Zhan

(Bestway Marine & Energy Technology Co., Ltd.， Shanghai, 201612， China)

A large structural analysis software MSC Patran/Nastran is used to establish the tail finite element model of structural supported mooring equipment reinforcer of a container and bulk carrier, the force analysis and strength calculation of mooring equipment under various combined load cases are carried out to check and improve the design of strengthening structure, the purpose of optimization plan is achieved, the relevant standards and requirements are met, and the structural strength is ensured. This design is to be verified and optimized for guarantee mooring equipment reinforcing safety in shipping operation.

mooring； finite element； load；strength calculation； safety design

舒 展(1981-)，男，工程師，研究領(lǐng)域為船舶工程三維數(shù)字化

1000-3878(2017)04-0028-07

U663

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