可拆式帶纜樁的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

系泊設(shè)備是船舶靠泊時(shí)的重要設(shè)備，通常系泊設(shè)備采用焊接形式與船體結(jié)構(gòu)連接。然而在一些海洋調(diào)查船、工程船等以工作甲板作為主要作業(yè)區(qū)域的船舶設(shè)計(jì)中，可考慮在工作甲板區(qū)域采用可拆卸式系泊件來替代傳統(tǒng)焊接固定的系泊件，以便在需要安裝臨時(shí)搭載設(shè)備時(shí)騰出甲板空間，靈活布置工作甲板，有效提升甲板空間利用率。關(guān)于系泊件與船體結(jié)構(gòu)的連接形式，在國(guó)際海事組織MSC/Circular.1175 Guidance on Shipboard Towing and Mooring Equipment文件中，將其定義為系泊件的一部分，可參照選定系泊件的相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)際或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）［1］。但目前系泊件的標(biāo)準(zhǔn)中，與船體結(jié)構(gòu)連接形式都為焊接，并未提及螺栓或其他連接形式，故有必要對(duì)系泊件與船體結(jié)構(gòu)中螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，分析螺栓連接在系泊設(shè)計(jì)中的連接形式和強(qiáng)度等應(yīng)用特點(diǎn)。

1 連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在某型海洋調(diào)查船尾部系泊設(shè)計(jì)中，尾部工作甲板區(qū)域內(nèi)的某一帶纜樁采用了可拆式設(shè)計(jì)，如圖 1所示。該帶纜樁用于系泊及拖帶，主要載荷為纜繩橫向拉力。此處可拆式帶纜樁設(shè)計(jì)初衷是靈活利用甲板空間，要求甲板平整無凹陷凸起，故沒有考慮設(shè)置止擋塊等類似結(jié)構(gòu)。且由于絞制螺栓拆裝不便，安裝要求高，故并未考慮采用絞制螺栓的連接節(jié)點(diǎn)，即使采用絞制螺栓能明顯減小螺栓規(guī)格。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，使用一組六角摩擦型受拉螺栓將帶纜樁與甲板連接，通過預(yù)緊力施加正壓力于帶纜樁底座平面與甲板平面，產(chǎn)生靜摩擦力，抵抗外部橫向載荷。本實(shí)船案例，以拖帶載荷441 kN（45 t）作為設(shè)計(jì)載荷，詳細(xì)說明螺栓連接計(jì)算方法及螺栓主要參數(shù)選擇方法。

圖1 某型調(diào)查船尾部可拆式帶纜樁

1.1 設(shè)計(jì)假定

根據(jù)選定螺栓，采用工程計(jì)算方法對(duì)螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)［2］，針對(duì)船舶實(shí)際情況，著重考慮螺栓連接在系泊件連接時(shí)的特點(diǎn)，更有針對(duì)性的選擇設(shè)計(jì)參數(shù)。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算，假定工作甲板及帶纜樁皆為剛體，螺栓為彈性體，其變形在彈性范圍內(nèi)，且每個(gè)螺栓的預(yù)緊力相同，接觸面的壓力均勻，受載后帶纜樁及甲板不應(yīng)分離。

在系泊件ISO標(biāo)準(zhǔn)中，多以相當(dāng)應(yīng)力或彎曲應(yīng)力不超過材料85%的屈服強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)［3-5］，螺栓連接節(jié)點(diǎn)屬于系泊件的一部分，選取安全系數(shù)為SF=1.18是合適的。

1.2 螺栓拉力計(jì)算

帶纜樁的受力如圖 2所示。根據(jù)等效原則，將帶纜樁頂部橫向拖帶載荷工況分解為接觸面處螺栓組受傾覆力矩M=269.01 kN·m和受橫向載荷N=441 kN兩種工況考慮。橫向載荷通過螺栓預(yù)緊力提供的摩擦力克服，螺栓總拉力為傾覆力矩產(chǎn)生拉力與預(yù)緊力之和。

圖2 帶纜樁受力示意

首先，計(jì)算受傾覆力矩工況中螺栓拉力。根據(jù)設(shè)計(jì)假定，可認(rèn)為螺栓組受傾覆力矩后，一側(cè)螺栓被拉緊，一側(cè)螺栓被放松，其受力大小與其至帶纜樁對(duì)稱中心的距離成正比，故每個(gè)螺栓所受拉力可表示為

式中：SF為安全系數(shù)，取SF=1.18；M為傾覆力矩，kN·m，取M=269.01 kN·m；ri為每個(gè)螺栓至螺栓組翻轉(zhuǎn)中心的距離，m；n為螺栓個(gè)數(shù)，取n=16。

螺栓組布置如下頁(yè)圖 3所示。

計(jì)算結(jié)果如下頁(yè)表 1所示。

螺栓組對(duì)稱布置，僅列單側(cè)螺栓拉力值，最遠(yuǎn)處螺栓所受軸向力最大，為Fmax=F1= 66 kN。

其次，計(jì)算受橫向載荷工況中螺栓拉力。橫向載荷由螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力來承受。以帶纜樁受橫向載荷不滑移，即靜摩擦力應(yīng)大于橫向載荷為判定條件計(jì)算：

圖3 帶纜樁螺栓組布置

表1 受傾覆力矩螺栓拉力

式中：f為接觸面的摩擦系數(shù)，螺栓節(jié)點(diǎn)的抗滑移能力與節(jié)點(diǎn)中的摩擦系數(shù)成正比，而接觸面及其涂層的類型都會(huì)影響摩擦系數(shù)。因此，帶纜樁及甲板的表面處理十分重要，一般認(rèn)為干凈的氧化膜平均系數(shù)為0.33，標(biāo)準(zhǔn)差為0.07。鋅粉漆涂層的平均系數(shù)為0.39，標(biāo)準(zhǔn)差為0.02［6］。但在實(shí)際使用中，接觸面的摩擦系數(shù)難以估算。本文中以干凈氧化膜無涂層接觸面為基礎(chǔ)估算摩擦系數(shù)，接觸面摩擦系數(shù)可認(rèn)為在平均值的2倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)，即0.19～0.47；同時(shí)考慮到船舶甲板與帶纜樁在安裝時(shí)已經(jīng)存在涂層，甲板處油污及水以及反復(fù)拆裝對(duì)油漆面的破壞的影響，取f=0.19。

Ks為螺栓預(yù)緊力可靠性系數(shù)。本例中假定使用扭矩扳手安裝無潤(rùn)滑螺栓，安裝離散度可達(dá)±30%，為保證所需預(yù)緊力，需取比實(shí)際所需大30%左右，取Ks=1/0.7=1.43。

SF為安全系數(shù)，取SF=1.18；n為螺栓個(gè)數(shù)，取n=16。N為橫向載荷，取N=441 kN。

故螺栓所需預(yù)緊力為F0=245 kN。

計(jì)算螺栓總拉力為：式中：C為螺栓連接的相對(duì)剛度系數(shù)，取0.25。F0為螺栓預(yù)緊力，kN；Fi為螺栓受傾覆力矩產(chǎn)生的拉力，kN；

故單個(gè)螺栓所受總拉力如表 2所示。

表2 單個(gè)螺栓所受總拉力

1.3 螺栓選型

現(xiàn)取最不利的螺栓受力情況進(jìn)行計(jì)算。在螺栓預(yù)緊時(shí)，有可能產(chǎn)生30%的正偏差，最大可能預(yù)緊力為F0max=1.3F0=318 kN，故可能的最大拉力Flmax=335 kN。將拉應(yīng)力增大30%以計(jì)入螺栓安裝時(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的影響，最大拉應(yīng)力按下式計(jì)算：

式中：d1為螺栓小徑，mm；［σ］為螺栓的許用應(yīng)力，MPa。

選定螺栓性能等級(jí)為8.8，［σ］= 600 MPa，故d1≥30.40 mm，故螺栓規(guī)格選為M36螺栓，螺栓小徑為31.67 mm，最大拉應(yīng)力為σ1=553 MPa。

2 有限元模擬

采用通用有限元軟件ANSYS對(duì)可拆式帶纜樁進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。對(duì)連接節(jié)點(diǎn)采用設(shè)置接觸并施加預(yù)緊力的方式模擬螺栓連接［7-8］，模型由帶纜樁、甲板及螺栓三個(gè)部分組成，采用三維實(shí)體建模及實(shí)體有限元網(wǎng)格，如圖 4和下頁(yè)圖 5所示。

圖4 帶纜樁實(shí)體模型

圖5 有限元網(wǎng)格模型

帶纜樁、甲板及螺栓之間考慮摩擦的影響，模擬整個(gè)螺栓組受力情況及接觸情況。

2.1 有限元建模計(jì)算

有限元模擬中，螺栓和螺母模型采用圓柱體模型，不考慮螺紋等細(xì)節(jié)，且螺栓與螺母作為一個(gè)整體，不考慮螺栓和螺母的連接強(qiáng)度；在帶纜樁與甲板、帶纜樁與螺栓之間設(shè)置滑動(dòng)型摩擦接觸；甲板模型采用甲板下加縱向加強(qiáng)筋方式模擬實(shí)際船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)情況，并在四周作固定約束。

有限元模擬中的載荷采取分步加載的方式模擬實(shí)際情況：首先加載螺栓預(yù)緊力，將預(yù)緊力F0= 245 kN直接施加在螺栓模型上；其次鎖定預(yù)緊力在螺栓上產(chǎn)生的形變，并在帶纜樁上施加橫向載荷SF N= 520.4 kN，載荷高度和方向與圖 2中拖帶載荷高度和方向相同，如圖 6所示。

為了分析甲板剛度對(duì)于螺栓連接的影響，本例中通過改變縱向加強(qiáng)筋的高度來模擬甲板加強(qiáng)變化對(duì)螺栓受力的影響，具體工況設(shè)置如表3。

表3 有限元工況

2.2 有限元結(jié)果分析

先以工況1作為典型工況分析帶纜樁連接節(jié)點(diǎn)的受力狀況。如圖7所示，帶纜樁在橫向載荷的作用下向右傾斜，在接觸面產(chǎn)生一個(gè)彎矩；右側(cè)樁柱在彎矩作用下，右側(cè)向下擠壓甲板，左側(cè)向上抬升，并在帶纜樁與甲板間產(chǎn)生微小間隙（最大間隙＜1 mm），如圖8所示。

圖7 工況1模型形變?cè)茍D

圖8 工況1帶纜樁基座面與甲板間隙云圖

但螺栓連接區(qū)域附近因螺栓預(yù)緊力緊緊將帶纜樁與甲板壓在一起，產(chǎn)生靜摩擦力用以抵抗橫向載荷，如圖9所示。

圖9 工況1帶纜樁基座面與甲板面的壓力云圖

帶纜樁在橫向載荷的作用下沒有發(fā)生明顯滑移，僅因形變產(chǎn)生微小滑移，如下頁(yè)圖10所示。

圖10 工況1帶纜樁基座面與甲板面滑移云圖

將各個(gè)工況中螺栓所受工作拉力與理論計(jì)算比較，如圖11所示。螺栓實(shí)際的工作拉力分布與之前分析中假定的情形并不相同，最大拉力并沒有發(fā)生在最外側(cè)的1號(hào)螺栓處，而是在6號(hào)螺栓處，原因是理論計(jì)算時(shí)假定帶纜樁與甲板皆為剛體，不考慮其變形，實(shí)際上在設(shè)計(jì)載荷的作用下帶纜樁與甲板都產(chǎn)生了變形，右側(cè)樁柱受載荷后在根部產(chǎn)生彎矩，導(dǎo)致樁柱附近的6號(hào)螺栓拉力增大，但因帶纜樁及甲板形變，螺栓拉力沒有隨著距離增加而增大。隨著甲板縱向加強(qiáng)筋高度增加，即甲板剛度的增加，6號(hào)螺栓處的工作拉力也隨之增加。

圖11 各工況中螺栓所受工作拉力

如表 4所示，有限元模擬中螺栓最大拉力與理論計(jì)算的偏差在3%以內(nèi)，可認(rèn)為按照理論計(jì)算估算螺栓最大拉力并以此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是可以接受的。

表4 各工況螺栓最大工作拉力

3 結(jié) 語

本文以某型海洋調(diào)查船船尾部工作甲板系泊設(shè)備可拆式帶纜樁的連接設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)說明了可拆式帶纜樁的螺栓連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)有限元模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。由于帶纜樁剛度及甲板的影響，有限元模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果中螺栓受力狀況并不相同，但按照理論計(jì)算來估算螺栓最大拉力仍可行，可以此最大拉力設(shè)計(jì)連接節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)方法也可為其他可拆卸式系泊件的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提供參考。