遠(yuǎn)洋LPG運(yùn)輸船拖帶與系泊設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

楊敬東，劉文彬，何瑞峰

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

0 引言

船舶在拖帶或系泊作業(yè)時，船上拖帶、系泊設(shè)備以及其支撐結(jié)構(gòu)必須能承受風(fēng)、浪、流、潮汐和吃水變化等對船舶系泊設(shè)備所產(chǎn)生的外力[1]。通常，拖帶和系泊設(shè)備是依據(jù)拖帶與系泊布置計劃要求，并依據(jù)規(guī)范計算確定的最大系泊負(fù)荷和拖帶負(fù)荷的1.25倍而確定的標(biāo)準(zhǔn)件，有時選用標(biāo)準(zhǔn)件的承載能力更大，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能滿足規(guī)范要求。但由于拖帶和系泊作業(yè)下，船體支撐結(jié)構(gòu)所受到的載荷是非常復(fù)雜的，很難利用應(yīng)力計算公式評估其真實(shí)受力情況，為保證支撐結(jié)構(gòu)能安全承擔(dān)所有正常的拖帶和系泊操作，提高船舶運(yùn)營期間的安全性和可靠性，應(yīng)國際海事組織（IMO）[2]1175通函，我國《規(guī)范》[3]對入級中國船級社（CCS）的新造排水型船舶的拖帶與系泊設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)，規(guī)范要求需要校核支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1 系泊布置及優(yōu)化

為了保證一艘新建船舶的系泊、拖帶設(shè)備及其船體支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能在預(yù)計的動、靜負(fù)荷作用下作業(yè)的可靠性，在船舶的拖帶與系泊設(shè)備布置設(shè)計中，設(shè)計者需要從提高船纜約束能力、降低設(shè)備和支撐結(jié)構(gòu)在作業(yè)中的載荷及甲板的工作空間等方面進(jìn)行考慮，因此在設(shè)計階段對船舶的系泊設(shè)備的布置優(yōu)化是非常必要的。

1.1 系泊模式確定

船舶在碼頭系泊作業(yè)時，其主要受到風(fēng)、浪、流作用的影響，該情況下系泊纜繩所產(chǎn)生的系泊外力可分解為縱向分力和橫向分力，根據(jù)系泊分力可以把系泊纜繩的布置歸結(jié)為倒纜和橫纜。倒纜主要約束船舶向前和向后的運(yùn)動，倒纜走向盡可能與船舶縱向中心線平行，倒纜在作業(yè)中只有一組倒纜承受拉力作用；橫纜主要防止船離開碼頭，橫纜盡可能靠近船舶首部和尾部，其走向應(yīng)盡可能垂直于船舶縱向中心線。同時，對系泊要求較高的船舶，還會設(shè)有首尾纜，可以同時約束縱向位移和橫向位移，首尾纜主要是對倒纜和橫纜系泊的加強(qiáng)。為了能較好地分配受力載荷，使系泊纜繩受力均勻，系泊索應(yīng)以船舯對稱布置，其典型系泊模式如圖1所示。

圖1 船舶典型系泊布置圖

本船入級 CCS，根據(jù)《規(guī)范》，本船的舾裝數(shù)為

N∈ [ 9 80,1060]，可根據(jù)CCS規(guī)范要求對纜繩配備進(jìn)行選取，船級社規(guī)范中所規(guī)定的系泊索的數(shù)量、長度和破斷負(fù)荷是基于船舶橫向停靠于遮蔽港口碼頭的情況確定的，這是系泊的最低要求。對于遠(yuǎn)洋航行的氣體運(yùn)輸船，該情況存在對側(cè)面為主的系泊狀態(tài)考慮不夠、海況過于理想等方面的因素，故該遠(yuǎn)洋LPG船實(shí)際設(shè)計所配備的系泊索的數(shù)量、長度和繩索破斷負(fù)荷應(yīng)當(dāng)高于規(guī)范要求。具體選取過程可參照《船舶設(shè)計實(shí)用手冊》關(guān)于系泊索配備的建議。本船拖索和系泊索的具體配備情況詳見表1。

表1 拖索與系泊索配備表

由表1可見，本船的系泊索實(shí)際配置10根，船首與船尾各4根，船舯2根，近似對稱船舯布置，系泊索長度200 m，破斷負(fù)荷451 kN，完全滿足船舶實(shí)際系泊需求，設(shè)計船纜繩完全系泊下系泊索走如圖2所示。關(guān)于本船的系泊考慮，當(dāng)船舶處于設(shè)計工況時，即系泊地處于遮蔽環(huán)境條件，船舶可以不系2、7號繩索，只需系其余8根系泊索即可。但是，當(dāng)系泊地海況復(fù)雜時，船舶的全部系泊索都需要系好，為了增加船舶的系纜力，5、6號系泊索可引回固定在甲板帶纜樁上。此外，2、7號系泊索的系纜方式可根據(jù)船舶具體受力情況進(jìn)行系泊調(diào)整。

圖2 設(shè)計船系泊布置圖

1.2 系泊屬具布置

系泊設(shè)備布置主要滿足纜繩走向。對于絞車，從絞車卷筒發(fā)出的系泊索經(jīng)導(dǎo)纜器引向船外，絞車設(shè)置應(yīng)盡量保證繩索受力方向垂直于卷筒軸向，一般情況下，應(yīng)保證卷筒軸的垂線和系泊索之間的夾角小于4°，即使最惡劣情況下，其夾角也不得大于7°；導(dǎo)向滾輪主要改變纜繩的走向，使其滿足系泊屬具布置要求[4-5]，但導(dǎo)向滾輪布置宜少，且對纜繩走向的改變角不宜太大；帶纜樁布置時，建議結(jié)合導(dǎo)纜孔進(jìn)行配合布置，為了能給帶纜輔助索提供充足的甲板使用空間，帶纜樁與舷邊導(dǎo)纜孔或?qū)Ю|器之間應(yīng)保持適當(dāng)距離，并且?guī)Ю|樁外緣與舷邊距離盡量大于帶纜樁公稱直徑1.5倍[3]。另外，為了不影響系泊繩索走向，帶纜樁1 m范圍不考慮其他設(shè)備和構(gòu)件的設(shè)置。

在系泊設(shè)備布置時，除了考慮纜繩走向外和布置空間外，還需系泊設(shè)備相關(guān)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[6-10]，系泊屬具位置的確定和選型仍需考慮以下幾方面：

1）拖帶和與泊屬具的布置中，應(yīng)盡量減少建造后期中結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，為了使載荷能有效均勻地傳遞到各支撐結(jié)構(gòu)上，通常把系泊屬具布置在強(qiáng)構(gòu)件較為密集區(qū)域上方的甲板上；

2）出現(xiàn)2根系索牽引時，要盡量使其夾角變大，最小大于60o，避免產(chǎn)生過大的合力；

3）在系索牽引的方向上盡量設(shè)有強(qiáng)橫梁或縱桁，或做類似加強(qiáng)；

4）盡量降低拖力和系泊力的作用點(diǎn)，以減小彎矩；

5）對于可能產(chǎn)生較大應(yīng)力的部位，如拖樁附近，在結(jié)構(gòu)建造前期可適當(dāng)對該區(qū)域范圍進(jìn)行結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)，同時還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)無法補(bǔ)強(qiáng)或補(bǔ)強(qiáng)不充分的情況。

根據(jù)規(guī)范、規(guī)則對系泊有關(guān)要求內(nèi)容[11-15]，上面所述建議及本船系泊設(shè)備配備要求，本船首部和尾部各配置2個絞車，絞車對稱于船體中心線布置，每臺絞車都配一個主卷筒和一個副卷筒，并布置在對應(yīng)的強(qiáng)構(gòu)件密集區(qū)；船首與船尾巴拿馬運(yùn)河導(dǎo)纜孔、帶纜樁、滾輪導(dǎo)纜器詳細(xì)布置圖詳見圖3和圖4，船舯僅在FR47及FR129強(qiáng)框架位置上布置系泊帶纜樁，其帶纜樁的底座邊緣應(yīng)距舷邊距離650 mm。

圖3 艉樓甲板系泊設(shè)備布置圖

圖4 艏樓甲板系泊設(shè)備布置圖

2 有限元模型建立

2.1 模型范圍

參照《規(guī)范》要求，本計算共選擇了3個位置的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計算校核。尾部有限元模型從船尾～FR19，包括艉樓甲板和相連的艙壁、外板，及系泊絞車底座，具體模型見圖5。

對于主甲板，由于主甲板上系泊設(shè)備基本類似，因此僅計算一個具有代表性的帶纜樁，本計算選取FR129位置處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，主甲板計算模型取FR125～FR133，內(nèi)舷板至舷側(cè)（左舷），具體模型見圖6。

首樓甲板的計算模型取全寬，垂向為主甲板以上至首樓甲板，縱向范圍取Fr151～船首。甲板板、艙壁板、舷側(cè)外板采用殼單元離散，甲板橫梁、強(qiáng)橫梁采用梁單元離散。具體模型見圖7。

本模型應(yīng)力單位為N/mm2，位移單位為mm。船體支撐結(jié)構(gòu)所有板材兩側(cè)的總腐蝕增量取2.0 mm。

圖5 艉部計算模型

圖6 主甲板計算模型

圖7 艏部計算模型

2.2 載荷和邊界條件

閆晉輝[16]關(guān)于導(dǎo)纜孔和帶纜樁的安全工作載荷SWL闡述了2種確定方法，一種按舾裝數(shù)要求對應(yīng)的系泊索（拖索）破斷載荷確定；另外一種按實(shí)際選用的系泊索（拖索）最小破斷載荷確定，文獻(xiàn)建議采用第一種方法更為合理。同時根據(jù)《規(guī)范》，除非船用配件由申請者規(guī)定了更大的安全工作負(fù)荷（SWL），一般正常拖帶和系泊操作中，作用于船舶配件及船體支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計負(fù)荷應(yīng)為本船舾裝數(shù)對應(yīng)的系索破斷負(fù)荷的1.25倍，其受力方向取繩索的出繩方向，本計算中按該方法確定載荷大小和受力方向。載荷的施加是通過建立剛性域，以 MPC方式將載荷加載在主節(jié)點(diǎn)上，主節(jié)點(diǎn)取帶纜樁、滾輪導(dǎo)纜器受力高度的中心位置，高度一般為1.2倍公稱直徑處，巴拿馬運(yùn)河導(dǎo)纜孔取受力變化處；從節(jié)點(diǎn)取系泊設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)相連的節(jié)點(diǎn)。

本文計算中，考慮了模型自重。對于巴拿馬運(yùn)河導(dǎo)纜孔、系泊帶纜樁、滾輪導(dǎo)纜器等的載荷按1.25倍的SWL，即287.5 kN施加；系泊及拖帶的帶纜樁，尾中間拖帶用導(dǎo)纜孔等的載荷按 1.25倍的SWL，即753.875 kN施加；系泊絞車按系索1.25倍破斷強(qiáng)度，即287.5 kN施加。本船絞車重量為8.4 t，其載荷施加通過在絞車盤上最高點(diǎn)建立主節(jié)點(diǎn)，絞車底座上的所有螺栓節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)，建立剛性域，將破斷強(qiáng)度與自重加到主節(jié)點(diǎn)上，系索為水平方向。

本船計算模型的邊界條件在底部施加固端約束，即在所有底部邊界節(jié)點(diǎn)都施加X、Y、Z三方向的線位移和角位移約束。

2.3 許用應(yīng)力

本船全船采用CCS-A級鋼，其屈服極限σs為235 N/mm2。根據(jù)IACS及中國船級社規(guī)范規(guī)定，許用應(yīng)力按強(qiáng)力甲板考慮，其安全系數(shù)K取1，則設(shè)計負(fù)荷下的許用應(yīng)力如下：

相當(dāng)應(yīng)力：σe=235×100%=235 (N/mm2)

正應(yīng)力：σ=235×100%=235 (N/mm2)

剪切應(yīng)力：τ=235×60%=141 (N/mm2)

3 計算結(jié)果分析

經(jīng)過上述要求建立的有限元模型計算，按CCS規(guī)范讀取模型中的各種應(yīng)力，本船各部分支撐結(jié)構(gòu)計算結(jié)果詳見表2。

圖8 艉部整體相當(dāng)應(yīng)力云圖

經(jīng)計算分析可得，在經(jīng)過拖帶和系泊優(yōu)化布置的基礎(chǔ)上，其支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核更容易滿足規(guī)范要求。不過從計算應(yīng)力云圖（圖 8～圖 13）可以看出，船舶系泊與拖帶作業(yè)中，拖樁結(jié)構(gòu)、系泊設(shè)備以及附近的船體結(jié)構(gòu)都會出現(xiàn)較大應(yīng)力單元。一般拖帶工況下，由于拖力通過拖纜孔直接作用在艏部拖樁上，而且拖力會很大，所以在艏部拖纜樁附近的艏樓甲板、強(qiáng)橫梁、縱桁等船體結(jié)構(gòu)上會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，同時，艉部拖樁上的受力也比較集中，其最大受力部位主要集中在拖樁處的船體結(jié)構(gòu)上。

表2 拖帶及系泊支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元計算結(jié)果匯總

圖9 艉甲板下強(qiáng)骨材合成應(yīng)力云圖

圖10 主甲板下強(qiáng)框架相當(dāng)應(yīng)力云圖

圖11 主甲板下梁單元剪應(yīng)力云圖

圖12 艏部整體相當(dāng)應(yīng)力云圖

圖13 艏甲板下梁單元剪應(yīng)力云圖

對于系泊工況，其受力主要是系泊索拉力通過導(dǎo)纜孔和導(dǎo)纜滾輪作用到帶纜樁上，所以帶纜樁和導(dǎo)纜滾輪附近區(qū)域的甲板和甲板下的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的應(yīng)力。而對于梁單元，其最大應(yīng)力點(diǎn)最容易出現(xiàn)在帶纜樁外輪廓與骨材的相交點(diǎn)處。

4 局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)討論分析

為了確保拖帶與系泊作業(yè)的安全，對于支撐結(jié)構(gòu)初次校核不滿足規(guī)范要求的情況，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)是必須的。本文結(jié)合有限元計算結(jié)果的應(yīng)力分布情況和當(dāng)前局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)研究成果，對甲板及甲板下的支撐結(jié)構(gòu)的局部加強(qiáng)提出以下幾點(diǎn)建議：

1）對于甲板受力較大部位，當(dāng)甲板板強(qiáng)度不夠時，可采用焊接復(fù)板或者塞板的方法進(jìn)行甲板板局部增厚，必要時可采用挖補(bǔ)法進(jìn)行甲板的局部替換，但是具體實(shí)施中需要考慮焊接變形等因素，所以具體采用哪種方法需要依據(jù)受力情況和甲板原來板厚來加以確定。

2）對于采用普通船用鋼加強(qiáng)難以滿足的情況，為了減少結(jié)構(gòu)重量，可以采用高強(qiáng)度鋼進(jìn)行局部更換。

3）對于參與總縱強(qiáng)度的縱向構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)時，加強(qiáng)構(gòu)件與原構(gòu)件應(yīng)設(shè)置端部肘板等構(gòu)件進(jìn)行過渡，避免構(gòu)件端部出現(xiàn)應(yīng)力集中，發(fā)生疲勞破壞，縱向加強(qiáng)時。建議結(jié)構(gòu)加強(qiáng)中多采用橫向加強(qiáng)方案。

4）對于系泊羊角受力比較特殊構(gòu)件附件的支撐結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)，由于羊角數(shù)量比較少，因此加強(qiáng)時可以考慮使用較大的T形材來替換原來的小規(guī)格骨材，兩端相連處用肘板削斜焊接。

5）遇到纜繩破斷很大的導(dǎo)纜孔時，肘板和最近的縱骨往往強(qiáng)度不足，對于肘板，可以加大板厚或改用高強(qiáng)鋼。對于縱骨，當(dāng)不宜小段更換，可以采用附加結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行加強(qiáng)。

6）對于甲板下需要加設(shè)橫向加強(qiáng)筋進(jìn)行加強(qiáng)時，其加強(qiáng)筋橫向范圍應(yīng)取自中縱剖面至邊縱桁，尺寸規(guī)格應(yīng)與普通橫梁一致。

5 結(jié)論

本文由于篇幅有限，未能對多種系泊布置方案進(jìn)行對比分析，也未能進(jìn)行多種系泊工況的討論分析，同時應(yīng)力云圖也未能一一列出。經(jīng)過本船計算分析可得到一些經(jīng)驗，希望能為以后相關(guān)工作提供參考：

1）前期舾裝設(shè)計階段對拖帶與系泊設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化布置，對降低設(shè)備及其支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力是非常有效的。

2）盡早對舾裝布置做出決策，在船舶設(shè)計前期提前與船體設(shè)計部門溝通，對可能受力較大的區(qū)域在設(shè)計階段盡量采用區(qū)域加強(qiáng)代替建造后期對位加強(qiáng)，減少現(xiàn)場改動。

3）對于只能在建造過程中進(jìn)行局部加強(qiáng)的區(qū)域，需要結(jié)合有限元計算結(jié)果和結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)理論，提出合理可行的加強(qiáng)方案，同時對所提出的方案積極與現(xiàn)場驗船師和施工人員進(jìn)行交流認(rèn)可，盡量減少船體結(jié)構(gòu)的大變動。