海巡163輪錨鏈絞車下支撐船體結構加強和強度計算

楊敬東，何瑞峰，劉文彬

(重慶交通大學 航運與船舶工程學院，重慶 400074)

0 引 言

海巡163輪為航行于近海航區(qū)的大型海巡船，在運營中主要承擔海事巡邏、海事救援和航標維護等任務，其航區(qū)海況復雜。本船服役年限較長，船上設備已不能滿足新環(huán)境下的使用要求，部分船體結構也很難滿足最新規(guī)范相應條款，因此使用單位對本船啟動了大型的改造工程。該工程主要對船舶的舾裝、輪機及電氣設備進行更換和增設，對甲板室和駕駛室進行調整和改造，及對其他局部區(qū)域進行結構加強。在舾裝設備的更換中，重大改造之一為將位于FR84位置的沉石絞盤更換為臥式液壓錨鏈絞車。絞車在排鏈作業(yè)中，其支撐結構會承受較大的載荷，極易造成結構破壞，因此需要對絞車下支撐船體結構進行結構加強，并依據《國內航行海船建造規(guī)范》[1]及《鋼質海船入級規(guī)范》[2](以下簡稱《規(guī)范》)相關要求對該區(qū)域結構建立有限元模型，校核支撐結構的局部強度，提高結構安全性和可靠性。

1 甲板結構局部加強

1.1 結構加強原則

錨鏈絞車在進行排鏈作業(yè)時，其載荷主要通過絞車支座腳傳遞到甲板和甲板下的骨材及艙壁結構上[3]，支座腳連接塊區(qū)域的甲板及其支撐結構所受到的載荷會較大，容易出現應力集中現象，因此，該區(qū)域支撐結構加強是本次結構加強工作中重點考慮的區(qū)域之一。一般地，在船舶甲板支撐結構的局部加強過程中，需要考慮以下幾點[4-8]：

1)加強的結構與甲板主結構形式盡量保證基本一致。

2)增設短縱桁、短橫梁等T型材結構，需要考慮現場的施工，應極力避免因施工空間不足等原因引起的無法焊接的情況。

3)加強范圍不宜過小，一般橫向范圍應加強至加強域最近的桁材或者艙壁，縱向范圍加強類似。

4)為了保證力的有效傳遞，避免應力集中的問題，在增設構件時，強構件與艙壁連接應該采用過渡連接或者肘板連接；加強時使用較大的T型來替換原來的小規(guī)格骨材，兩端相連處用肘板削斜焊接；橫梁與新加縱桁連接處相應加肘板連接。

1.2 結構加強方案

根據甲板結構局部加強的原則，對海巡163輪錨鏈絞車下的支撐結構進行加強研究。為了保證絞車受到的載荷能有效的傳遞到絞車下的支撐結構上，設計中通過在矩形支座腳的四邊上增設肘板解決該問題，其連接形式如圖1(a)。同時，為了確保主甲板的結構強度，降低板焊接變形的影響[9]，設計中在絞車安裝區(qū)域的主甲板上焊接了12 mm厚的覆板，覆板通過沿著每一覆蓋肋位橫向設置塞焊孔焊接到原甲板上。覆板開塞孔示意如圖1(b)。

圖1 支撐結構加強示意Fig. 1 Schematic diagram of supporting structure reinforcement

本船絞車下甲板支撐結構的加強設計主要通過增設交叉橫梁和短縱桁進行加強。由于絞車下支撐結構的主要受力部位集中于支座腳附近區(qū)域，因此結構加強方案設計中可以在支座腳下增設橫向和縱向加強構件，同時為了保證力的有效傳遞，還需要適當增設輔助加強構件。本船共有6個支座腳，在原有支撐結構的基礎上，共增設了6條短縱桁和3條短強梁，其中，短縱桁1至短縱桁5、短強梁2和短強梁3主要增設在支座腳與甲板連接區(qū)域下方，短縱桁6和短強梁1主要為了保證強構件力的有效傳遞而增設的輔助加強結構。本加強方案中，所有增設加強構件的增設范圍加強至強構件或者艙壁處，構件尺寸與該區(qū)域原構件中的強構件尺寸一致，甲板結構局部加強如圖2。

圖2 甲板結構局部加強Fig. 2 Local strengthening of deck structure

在本船增設短縱桁和短強梁過程中，為了確保新增構件焊接的施工空間，需要保證新增構件與原構件之間的間距。對于新增的短縱桁4，如果直接在支座腳下方進行構件的加強會出現強構件間距過小的現象，從而造成施工困難。對于這種情況，可以通過減小縱桁腹板高度和面板寬度并同時增加板厚，或者保持結構尺寸不變適當向外調整縱桁位置。本加強方案中采用后者方法。短縱桁4在原支座腳位置的基礎上向外移動220 mm，調整后新增短縱桁與原縱桁間距為390 mm，滿足施工的空間要求。此外，為了確保加強結構能有效傳遞所受到的外力，加強區(qū)域新增短縱桁與橫艙壁采用過渡方式連接(圖3)，新增縱桁與普通橫梁采用肘板連接。

圖3 新增縱桁與艙壁連接Fig. 3 Newly increased girder and bulkhead connection

2 有限元計算模型

2.1 模型范圍

為了確保設計的結構加強方案合理可行，需要對加強后的絞車支撐結構強度進行強度校核，保證計算結果滿足規(guī)范要求。有限元計算方法是船舶結構強度校核中常見的校核方法，已廣泛應用于船舶的多個研究方向[10-11]。本船有限元計算模型采用右手坐標系，X軸以船首為正方向，Y軸以左舷為正方向，Z軸以向上為正方向。根據《規(guī)范》，模型縱向范圍取FR80～FR88，橫向范圍取整個船寬，垂向范圍為主甲板取至下一層甲板平臺。模型包括甲板、甲板下強橫梁、甲板縱桁、普通橫梁和艙壁。所有甲板板、艙壁板、肘板及其強構件腹板以板殼單元來模擬，所有普通橫梁、艙壁扶強材及強構件面板以梁單元模擬。模型中，絞車安裝區(qū)域采用細網格劃分，其他區(qū)域采用粗網格劃分，建立的有限元模型如圖4。

本模型應力單位為N/mm2，位移單位為mm。

圖4 有限元計算模型Fig. 4 Finite element calculation model

2.2 邊界條件與許用應力

根據《規(guī)范》，計算模型的邊界約束條件按表1進行施加。

表1 模型邊界約束條件Table 1 Model boundary constraints

本船結構材料均采用普通船用鋼材，材料屬性的彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，密度為7.85×10-9t/mm3，屈服強度ReH為235 N/mm2。根據《規(guī)范》要求，許用應力按強力甲板考慮，普通鋼材的安全系數取1，則構件許用應力按表2選取。

表2 構件許用應力Table 2 Allowable stress of components

3 計算載荷及工況

按《規(guī)范》要求，本船絞車需要校核甲板右舷上浪(工況1)、左舷上浪(工況2)、絞車受錨鏈45%破斷力(工況3)和摯鏈器受80%破斷力(工況4)4種工況下支撐結構的強度。

3.1 甲板上浪工況及載荷

參照《規(guī)范》船首甲板錨機固定的強度計算要求，甲板上浪時，作用在絞車上的壓力和計算面積可按下述計算：

1)X方向上由船艏向后的方向上的壓力為200 kN/m2乘以該方向上的投影面積。

2)Y方向上作用于舷內和舷外側的壓力為150 kN/m2乘以f倍方向上的投影面積，定義如：

f=1+B/H(f≤2.5)

(1)

式中：B為平行于軸線的絞車計算寬度，m；H為絞車最大高度，m。

本船f=1+2.00/2.23=1.897，則絞車右舷上浪載荷計算如：

(2)

式中：Sx為錨鏈絞車在X方向的投影面積，m2；Sy為錨鏈絞車在Y方向的投影面積，m2。

經計算得，左舷上浪載荷Px=976.000 kN，Py=-979.706 kN。

本船絞車與甲板的連接是通過支座腳及其肘板直接焊接到甲板上，絞車和摯鏈器重量在每個支座腳上分布如圖5，以集中力的形式加載到對應的節(jié)點上。甲板上浪載荷對甲板支撐結構的作用采用兩種加載方式[10]進行計算比較。

3.1.1 加載方式1

參照《規(guī)范》3.2.5.5將力分解至各個螺栓組的方法，將上浪載荷分別施加于各個支座腳處，對每一支座腳連接區(qū)域建立剛性域，把上浪載荷施加在主節(jié)點上。作用在第i個支座腳上的軸向力可按式(3)計算。

(3)

圖5 絞車重量分布Fig. 5 Winch weight distribution

3.1.2 加載方式2

甲板上浪載荷也可以采用MPC方式進行加載，如圖6，以絞車載荷作用點為主節(jié)點，與甲板連接的支座腳節(jié)點為從節(jié)點建立剛性域，直接將上浪載荷以集中力的形式施加于主節(jié)點上。為了保證結構可靠性，絞車載荷作用點，即主節(jié)點的位置取絞車滾輪的最高點，為絞車錨鏈輪中分線與錨鏈輪軸中心線交點處，其絞車的最高高度為2 090 mm，坐標為(2 600，0，2 090)，從節(jié)點取絞車支座腳與甲板相交處節(jié)點，絞車重量產生的力以集中力形式施加到支座腳處對應的節(jié)點位置。

3.2 絞車受錨鏈45%破斷力工況

本船帶摯鏈器，按《規(guī)范》要求，支撐結構強度校核時，需要計算45%錨鏈破斷負荷下的結構強度。該船選用錨鏈最小破斷負荷為812 kN，則該工況下采用的計算載荷為365.4 kN。該工況下最大受力方向與X軸夾角為24°，將拉力F分解為水平分力Fx=333.81 kN和Fy=-148.622 kN。錨鏈破斷力采用MPC方式加載到作用點上，絞車重量作用力以集中力的形式加載到對應的節(jié)點上。

圖6 MPC加載方式Fig. 6 Loading method of MPC

3.3 摯鏈器受80%破斷力工況

《規(guī)范》還要求校核摯鏈器受80%破斷力工況。海巡163輪錨鏈最小破斷力的80%為649.60 kN。該工況下最大受力方向與Y軸夾角為2°，將拉力F分解為水平分力Fx=22.671 kN和Fy=649.204 kN。破斷力采用MPC方式加載到作用點上，絞車重量作用力施加方法同上。

4 計算結果及分析

根據對絞車下甲板支撐結構建立的有限元模型，按照《規(guī)范》要求的4種載荷工況進行有限元強度計算。計算結果表明，經結構加強后海巡163輪絞車作業(yè)時大應力區(qū)域發(fā)生在支座腳下的橫梁和縱桁結構上。甲板板最大相當應力為72.0 N/mm2，發(fā)生在加載方式2對應的工況2下的支座腳1下的甲板上。甲板下支撐結構在工況1與工況2下兩種加載方式的計算結果見表3。加載方式1對應工況1與工況2的應力分布云圖見圖7。加載方式2對應的工況1與工況2的應力分布云圖見圖8。

從圖7、圖8可以看出，加載方式2相對于加載方式1應力計算結果偏大，其主要原因為MPC加載方式容易造成載荷分布集中的情況，從而造成局部應力過大的現象?；贛PC加載方式的應力計算校核的結構安全性更高，因為甲板上的絞車受到的載荷會有一些不確定因素，基于加載方式1的計算應力分布均勻，計算值更趨于合理。

圖7 加載方式1相當應力云圖Fig. 7 Loading mode 1 equivalent stress nephogram

圖8 加載方式2相當應力云圖Fig. 8 Loading mode 2 equivalent stress nephogram

工況3、工況4計算結果見表5，應力分布云圖見圖9。工況3下支撐結構受力較小，其最大受力變形主要由摯鏈器重量對支撐結構造成。工況4下最大受力變形區(qū)域主要發(fā)生在摯鏈器區(qū)域下的短縱桁及其普通橫梁上，在以后該區(qū)域的結構加強工作中可適當加大加強結構的尺寸。

表5 工況3與工況4計算結果Table 5 Calculation results of case 3 and case 4 N·mm-2

圖9 工況3和工況4相當應力云圖Fig. 9 Case 3 and case 4 equivalent stress nephogram

5 結 語

依據錨鏈絞車的排鏈作業(yè)時的受力特點及其甲板結構局部加強原則，對海巡163輪絞車下支撐結結構進行局部加強，考慮海巡163輪已經使用較長時間，船體構件有折損，所以加強時基于偏安全考慮加強。在加強后的絞車支撐結構基礎上，依據CCS相應規(guī)范，采用Patran & Nastran對該部分結構建立有限元模型校核其局部強度，并從兩種加載方式的角度去考慮其應力狀態(tài)。從結構加強設計及校核可得到以下結論：

1)計算結果表明，錨鏈絞車作業(yè)中其支撐結構板單元的最大相當應力為195 N/mm2，梁單元的最大正應力為198 N/mm2，最大剪應力99.1 N/mm2，滿足《規(guī)范》要求，說明絞車下甲板支撐結構的加強方案合理可行。

2)對上浪載荷的兩種不同加載方式的對比結果可以看出，加載方式2的計算結果相對于加載方式1偏大，應力分布偏于集中。在實際運用中，建議采用加載方式1，當結構偏安全考慮時，建議采用加載方式2。

3)對于重量載荷施加方式，當絞車重量在每一個節(jié)點的分布明確時，可按集中力方式施加到對應節(jié)點上；當分布不明確時，可采用MPC方式施加重量載荷。