某沿海雙體客船系泊錨泊支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王軒　黃渙青

摘? ? 要：本文介紹了中國(guó)船級(jí)社《規(guī)范》對(duì)系泊錨泊設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，并以某沿海雙體客船為實(shí)例，對(duì)該船首尾系泊錨泊設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述?；赑atran/Nastran有限元軟件，建立包含舷墻和錨機(jī)基座的船體有限元模型，對(duì)各系泊錨泊設(shè)備進(jìn)行受力分析，校核其支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果表明，該船系泊錨泊支撐結(jié)構(gòu)滿足《規(guī)范》的相關(guān)強(qiáng)度要求，可為同類船舶系泊錨泊支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)方案提出建議和注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：系泊錨泊;支撐結(jié)構(gòu);強(qiáng)度計(jì)算

中圖分類號(hào)：U663.7? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：? This paper introduces the design and calculation method of supporting structure of mooring and anchoring equipment in the rules of China Classification Society （CCS）， and takes a coastal passenger catamaran as a design example to describe the design method of fore and aft mooring equipment supporting structure. The finite element model of hull including bulwark structure and windlass foundation is established based on Patran / Nastran software， and the force analysis and strength check are carried out for the mooring and anchoring equipment and its supporting structure. The results show that the supporting structure of the ship meets the relevant strength requirement of the CCSs rules and can provide reference for the design of mooring and anchoring supporting structure of similar ships. Some suggestions and matters needing attentions are put forward according to the calculation results.

Key words： Mooring and anchoring; Supporting structure; Strength calculation

1? ? ?前言

船舶系泊錨泊設(shè)備在工作時(shí)，會(huì)受到較大的集中載荷。為了保證作業(yè)的安全，需要根據(jù)這些設(shè)備的作業(yè)特點(diǎn)和基座形式，對(duì)其支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用直接計(jì)算方法驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果[1]。

2? ? 系泊錨泊支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系泊錨泊設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可參照《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2018）[2] [3]（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）3.6.3.5對(duì)拖帶船用配件支撐結(jié)構(gòu)的要求進(jìn)行，圖1為其結(jié)構(gòu)布置方法示意圖。

建立結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，對(duì)系泊錨泊設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力進(jìn)行直接計(jì)算。通常，系泊船舶用的系纜樁、導(dǎo)纜孔以及用于拖帶的設(shè)備的設(shè)計(jì)載荷和許用應(yīng)力，參考《規(guī)范》第3章第6節(jié)的要求;錨機(jī)、摯鏈器等錨泊甲板設(shè)備的設(shè)計(jì)載荷和許用應(yīng)力，參考《規(guī)范》第3章第7節(jié)的要求。設(shè)計(jì)和建模時(shí)，需注意所有構(gòu)件均應(yīng)增加2 mm的腐蝕厚度。

系泊設(shè)備如系纜樁、拖樁等支撐結(jié)構(gòu)載荷，以系索破斷強(qiáng)度的1.15倍作為設(shè)計(jì)載荷;導(dǎo)纜孔根據(jù)系索布置計(jì)算載荷分量的合成力[4];錨泊設(shè)備如錨機(jī)載荷，主要參考《規(guī)范》3.2.5甲板上浪載荷和錨鏈破斷負(fù)荷。當(dāng)不帶摯鏈器時(shí)錨機(jī)設(shè)計(jì)載荷為破斷負(fù)荷的80%，若帶有摯鏈器為45%;摯鏈器載荷為破斷負(fù)荷的80%;許用應(yīng)力（板元相當(dāng)應(yīng)力和梁?jiǎn)卧铣蓱?yīng)力）不大于鋼材的屈服強(qiáng)度，剪切應(yīng)力不大于屈服強(qiáng)度的60%。

3? ? 設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算分析實(shí)例

以某300客位沿海雙體客船為例，分別對(duì)首尾區(qū)域的帶纜樁、導(dǎo)纜孔、十字纜樁、錨機(jī)、摯鏈器支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用有限元方法校核其應(yīng)力。該船主尺度如下：

3.1? ?支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 首尾部帶纜樁支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本船首尾部帶纜樁選用型號(hào)為GB/T554-2008 A200-78，主甲板支撐結(jié)構(gòu)用桁材沿長(zhǎng)邊方向進(jìn)行加強(qiáng)。首部帶纜樁系泊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示（包含錨泊加強(qiáng)）。

3.1.2 首尾部舷墻導(dǎo)纜孔支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本船首尾部系泊導(dǎo)纜孔選用型號(hào)為GB/T36213-2018 B250x200，導(dǎo)纜孔周圍與舷墻開(kāi)孔相焊接，并對(duì)孔緣左右和上下增加肘板進(jìn)行加強(qiáng)。圖3為首部導(dǎo)纜孔加強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意圖（位于舷墻結(jié)構(gòu)）。

3.1.3 首尾部十字纜樁支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本船首尾部十字纜樁選用型號(hào)為CB/T3845-2013 250，其底座為500x500的正方形，尾部沿船寬方向進(jìn)行加強(qiáng);位于船首的十字纜樁中心位置在片體內(nèi)舷外板，并和連接橋相連接，此處若沿船寬方向加強(qiáng)則施工困難?？紤]到本船連接橋?yàn)闄M骨架式，肋距為550 mm，在保證不影響系泊與拖帶功能的前提下，可通過(guò)在十字纜樁下端增加傾斜的T型材并與連接橋橫隔板直接相連，采用直接計(jì)算法對(duì)該T型材強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。尾部十字纜樁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示。

3.1.4首部錨機(jī)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本船電動(dòng)錨絞盤(pán)和摯鏈器匹配錨鏈直徑為φ24。其中，摯鏈器選用CB/T3844-2000。通過(guò)基座將錨機(jī)（摯鏈器）和主船體相連;錨機(jī)基座應(yīng)考慮螺栓位置，主甲板上應(yīng)通過(guò)桁材對(duì)錨機(jī)基座進(jìn)行加強(qiáng);摯鏈器基座沿長(zhǎng)邊方向布置，并在主甲板進(jìn)行加強(qiáng)。

3.2? ?模型建立

3.2.1 有限元模型

在MSC.Patran中建立全船有限元模型，模型范圍為首尾主甲板以下的全船結(jié)構(gòu)[5]。具體模型的范圍為：縱向從片體尾封板至首柱;考慮到模型的對(duì)稱性，橫向從中縱剖面至右舷，包括和片體相連的連接橋;垂向從船底基線至主甲板。其中首部區(qū)域包括了首舷墻結(jié)構(gòu)、錨機(jī)底座及支撐結(jié)構(gòu)，尾部區(qū)域包括了尾舷墻結(jié)構(gòu)。

具體建模要求參考《規(guī)范》3.6.4.5和3.7.2.6對(duì)有限元模型要求。網(wǎng)格大小約1個(gè)肋骨間距;支撐結(jié)構(gòu)周圍區(qū)域網(wǎng)格適當(dāng)加密，以反映設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的實(shí)際分布。主要板材和桁材腹板用殼單元模擬;扶強(qiáng)材和桁材面板用梁?jiǎn)卧M。首部結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖5，尾部結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖6（圖示左舷，右舷對(duì)稱）。

3.2.2邊界條件

邊界條件以不影響中心區(qū)域的計(jì)算結(jié)果為原則。為消除剛體位移，同時(shí)遠(yuǎn)離應(yīng)力集中的影響，在船體中線和片體中心線底部施加固定約束，如圖7所示。

3.3? ?設(shè)計(jì)載荷計(jì)算

3.3.1 帶纜樁載荷

根據(jù)《規(guī)范》3.6.4.3，船用配件的船體支撐結(jié)構(gòu)的最小設(shè)計(jì)負(fù)荷，應(yīng)為設(shè)計(jì)者選定的系索破斷強(qiáng)度的1.15倍，即最小設(shè)計(jì)負(fù)荷為120.75 kN;載荷方向根據(jù)《系泊設(shè)備布置圖》確定：系泊索指向舷外，作用點(diǎn)位于距基座以上4/5的筒體高度，即距主甲板高度為340 mm。

設(shè)計(jì)載荷見(jiàn)表1;尾部帶纜樁、導(dǎo)纜孔、十字拖樁加載示意圖，見(jiàn)圖8。

3.3.2導(dǎo)纜孔載荷

導(dǎo)纜孔設(shè)計(jì)載荷方向，應(yīng)考慮相應(yīng)帶纜樁（或十字纜樁）的布置位置，并考慮位于舷外的系索與船體之間存在的相對(duì)位置夾角（即舷外向上為30°、向下為-90°、向左為-90°、向右為90°），因此對(duì)于導(dǎo)纜孔應(yīng)計(jì)算四種不同工況;此外，位于船首和船尾的十字纜樁系索的最小設(shè)計(jì)負(fù)荷為201 kN。受篇幅限制，僅列出工況1對(duì)應(yīng)的導(dǎo)纜孔載荷（舷外向左-90°）與舷內(nèi)載荷的疊加，如表2所列。

3.3.3? 十字纜樁載荷

《規(guī)范》3.6.3.3規(guī)定，十字纜樁的拖帶設(shè)計(jì)載荷，應(yīng)為舾裝數(shù)N對(duì)應(yīng)的拖索破斷負(fù)荷201 kN;具體方向根據(jù)系泊設(shè)備布置圖確定（系泊索指向舷外）;設(shè)計(jì)負(fù)荷如表3所列，作用點(diǎn)距主甲板640 mm。需注意首部十字纜樁為拖帶兼系泊用，從不同的導(dǎo)纜孔穿出的系索方向不同，受力應(yīng)予以區(qū)分。

3.3.4 錨機(jī)載荷

根據(jù)《規(guī)范》§3.2.5，甲板上浪載荷分為Px和Py：Px垂直于錨機(jī)軸線由船首向后方向;Py平行于錨機(jī)軸線分別作用于舷外和舷內(nèi)，作用于錨機(jī)滾筒中心線處，距錨機(jī)基座上表面280 mm。Px為94.3 kN、Py為120.3 kN。

本船錨機(jī)配有摯鏈器，根據(jù)《規(guī)范》§3.7.2錨機(jī)設(shè)計(jì)載荷為錨鏈破斷強(qiáng)度的0.45倍;作用點(diǎn)位于錨機(jī)滾筒中心線處，作用方向?yàn)殄^鏈沿?fù)存溒骱湾^鏈孔的方向，大小為214 kN。

3.3.5摯鏈器載荷

摯鏈器支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷為0.8倍錨鏈的破斷強(qiáng)度，大小為381 kN;作用點(diǎn)位于摯鏈器滾輪中心線處，距首升高甲板715 mm;方向由錨泊設(shè)備布置圖確定。

3. 4? 計(jì)算工況

根據(jù)前述受力分析，校核纜樁和導(dǎo)纜孔、錨機(jī)和掣鏈器的工況組合。對(duì)于系泊與拖帶，LC1～LC4分別為導(dǎo)纜孔舷外四個(gè)不同方向載荷及舷內(nèi)載荷、對(duì)應(yīng)纜樁載荷，LC5為#74+200十字纜樁兼拖帶功能及對(duì)應(yīng)導(dǎo)纜孔載荷。對(duì)于錨泊，LC1和LC2分別為舷外和舷內(nèi)錨機(jī)甲板上浪載荷，LC3為錨機(jī)0.45倍錨鏈破斷載荷及摯鏈器0.8倍錨鏈破斷載荷。考慮到系泊與拖帶和錨泊對(duì)應(yīng)位置不同，共5種計(jì)算工況。

3. 5? 許用應(yīng)力與計(jì)算結(jié)果匯總

根據(jù)得到的計(jì)算結(jié)果，首部區(qū)域加強(qiáng)結(jié)構(gòu)相當(dāng)應(yīng)力（LC3）見(jiàn)圖9，尾部區(qū)域加強(qiáng)結(jié)構(gòu)相當(dāng)應(yīng)力（LC1）見(jiàn)圖10。對(duì)應(yīng)的首尾加強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平匯總見(jiàn)表4。

計(jì)算結(jié)果表明，本船首部系泊錨泊支撐結(jié)構(gòu)和尾部系泊支撐結(jié)構(gòu)，均滿足《規(guī)范》的相關(guān)要求。

4? ? ?總結(jié)

本文根據(jù)《規(guī)范》要求，對(duì)該船首尾系泊錨泊支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，計(jì)算結(jié)果表明滿足要求。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1） 應(yīng)提前考慮系泊錨泊設(shè)備的布置和鋼材腐蝕量對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。在結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算時(shí)，除了滿足構(gòu)件自身的強(qiáng)度外，還應(yīng)對(duì)首樓甲板、尾部甲板及支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)加厚;

（2） 在支撐舷墻導(dǎo)纜孔的肘板位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)舷墻時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低舷墻肘板間距、對(duì)舷墻頂部構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，以減小因受到集中載荷作用在導(dǎo)纜孔所引起的變形。 此外，在建造時(shí)應(yīng)將支撐導(dǎo)纜孔的肘板與導(dǎo)纜孔進(jìn)行全焊透，以增加受力面積;

（3） 位于錨機(jī)底座支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大周圍的強(qiáng)構(gòu)件的尺寸。此外，在有限元建模的過(guò)程中，應(yīng)盡可能準(zhǔn)確的模擬該區(qū)域的結(jié)構(gòu)支撐。

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