某半潛運輸船定位樁設(shè)備加強結(jié)構(gòu)有限元分析

王佳鑫

摘 要：定位樁作為一種系泊定位工具，首次應(yīng)用于半潛游艇運輸船上。為保證該船在遮蔽航區(qū)作業(yè)時的停泊安全性，定位樁及其設(shè)備加強結(jié)構(gòu)的強度尤為重要。本文通過有限元方法，對定位樁設(shè)備的加強結(jié)構(gòu)進行強度計算分析，證實本船尾部定位樁設(shè)備的加強結(jié)構(gòu)在各種工況下，其屈服強度和屈曲強度都滿足勞氏船級社規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：半潛式游艇運輸船;定位樁;屈服強度;屈曲強度;有限元分析

中圖分類號：U664.8

文獻標識碼：A

1 前言

目前，我國定位樁主要應(yīng)用于各類挖泥船[1]。本文所述船舶為半潛式游艇運輸船，考慮到所運貨物的特殊性，對于裝卸貨物時系泊定位要求比較高，因此本船設(shè)計時配置了首尾兩個定位樁。為了保證作業(yè)及航行時的安全，需要對定位樁配套設(shè)備的加強結(jié)構(gòu)進行強度分析與校核。

本文介紹定位樁應(yīng)用于半潛游艇運輸船的工作原理，以及定位柱配套設(shè)備加強結(jié)構(gòu)的有限元計算方法及強度校核結(jié)果。

2 半潛式游艇運輸船工作原理

本船為全球首制超尺度比的半潛式游艇運輸船，總長213.7m，型寬44.6m、型深5.9m、結(jié)構(gòu)吃水5.2m、下潛最大吃水13.5 m，設(shè)計航速13 kn、功率2x5 200kW、總載重量12 780 DWT，

本船具有較大的露天載貨甲板，船首設(shè)有較高的上層建筑，在裝卸貨物過程中呈半潛狀態(tài)。游艇采用滾裝方式駛進駛出貨艙，不需要設(shè)置吊機來吊運貨物。在船體下潛時，定位樁插入海底，當船舶下潛到13.5m的吃水深度時載貨甲板淹沒;然后，游艇駛?cè)胼d貨區(qū)甲板，主船體上浮讓游艇擱淺，定位樁收起;待載貨甲板出水后將游艇固定好，啟程運輸至目的地。船舶在下潛及上浮過程中的位置固定，是由定位樁來實現(xiàn)的。

本船共有兩個定位樁，一個布置在船首部中縱位置，另一個布置在船尾部左舷側(cè)位置，如圖1所示。

3 半潛式游艇運輸船的定位樁系統(tǒng)功能及組成

3.1 主要功能

半潛式游艇運輸船的定位樁系統(tǒng)，主要具備以下功能：（1）在遮蔽航區(qū)不使用錨及系泊繩索的工況下，保證停泊的安全性;（2）維系船舶在固定的位置，不允許產(chǎn)生橫向、側(cè)向及偏航的位移運動;（3）除系泊繩索外，為船舶提供額外的系泊能力;（4）在下放工況時，定位樁的承載力能滿足以下環(huán)境載荷的要求，以確保船舶的靜止狀態(tài)：風(fēng)力6級、水流最大速度2kn;（5）定位樁具有足夠的長度及剛度，滿足在最大水深達到15 m時能夠插入海床。

3.2 系統(tǒng)組成

尾部定位樁配套設(shè)備，由電動絞車、吊鉤眼板、導(dǎo)向滑輪以及擱置設(shè)備組成（見圖2）：（1）吊鉤眼板固定鋼絲繩的一端，另一端由電動絞車卷筒拉緊鋼絲繩，頂端通過導(dǎo)向滑輪傳動將定位樁依靠重力下放到海底插入海床;（2）定位樁的電動絞車具有恒張力功能，絞盤上有空滾筒限位裝置，以保證其在下放過程中滾筒上始終有鋼絲繩;（3）考慮到鋼絲繩的磨損、斷絲及腐蝕等情況，定位樁絞車的鋼絲繩是可以進行更換的。

船舶在航行工況下，定位樁處于收起擱置狀態(tài)：（1）定位樁的收起，由電動絞車卷動鋼絲繩，通過導(dǎo)向滑輪及吊鉤眼板將定位樁升起，并放于擱置設(shè)備上，由鎖緊裝置將擱置設(shè)備鎖緊;（2）航行工況下，定位樁的鎖緊裝置在最低位置有機械剎車裝置，以避免定位樁滑落到比定位樁套管底部更低的位置;（3）定位樁需定期維護保養(yǎng)，可以由岸吊進行拆卸吊裝。

無論在作業(yè)工況還是擱置工況下，定位樁設(shè)備的加強結(jié)構(gòu)都需要具備足夠的強度及剛度，本船需滿足勞氏船級社規(guī)范對于船體結(jié)構(gòu)屈服及屈曲強度的要求。

4 有限元模型

本文僅建立尾部定位樁區(qū)域的結(jié)構(gòu)有限元模型（見圖3），對其在各工況最大設(shè)計載荷下的結(jié)構(gòu)進行靜力分析，并根據(jù)勞氏船級社規(guī)范要求校核其強度。

4.1 有限元模型

在三維笛卡爾坐標系中，有限元模型的范圍為：縱向從船尾到16號肋位;垂向從距基線14 200 mm到定位樁方形支柱頂（距基線32 725 mm）;橫向從距中20 000 mm的內(nèi)殼板到舷側(cè)外板。

在本模型中：（1）頂平臺的定位樁滑輪設(shè)備反面結(jié)構(gòu)加強筋，以板單元加梁單元的形式離散;（2）距基線24 100 mm甲板以上的舷側(cè)外板的加強筋，以板單元離散，其他次要構(gòu)件都用梁單元離散;（3）甲板板、甲板下圍壁板等，以板單元離散;（4）強橫梁、縱桁等強構(gòu)件腹板，以板單元離散，面板以梁單元離散[2]。其中，梁單元是具有軸向、扭轉(zhuǎn)、雙向剪切和彎曲剛度的兩節(jié)點單元，板單元是具有面內(nèi)剛度和面外彎曲剛度的三節(jié)點或四節(jié)點單元。

整船計算的有限元網(wǎng)格大小為600 mmx600 mm;設(shè)備加強區(qū)域板單元的網(wǎng)格大小，取200 mmx200mm。

本模型范圍內(nèi)的板材，若無特殊說明，均采用高強鋼;另外，為了減少應(yīng)力集中，設(shè)備基座所在的甲板板要包含加厚的插入板，根據(jù)規(guī)范要求，插入板板厚最小值不得小于臨接板板厚的1.5倍;加厚板與臨接板采用全焊透焊接，板縫線為倒網(wǎng)角，對接焊厚板削斜比例為3：1;定位樁的設(shè)備，位于部分甲板結(jié)構(gòu)（如：縱骨、強橫梁、縱桁）上，以有效分布丁作負荷。

4.2坐標系

計算坐標系采用笛卡爾直角坐標系：原點位于尾封板、基線面和船體中心面交叉處;X軸方向為船體的縱向，向船首方向為正;Y軸方向為船體的橫向，向左舷為正;Z軸方向為船體的垂向，向上為正。

4.3材料特性

本模型中板及構(gòu)件的材料特性，見表1。

4.4邊界條件

邊界條件的確定取決于對結(jié)構(gòu)受力和變形狀態(tài)的判斷。根據(jù)Saint-Venant原理，由于約束點距離我們最關(guān)心的部位較遠，對應(yīng)力分布的計算結(jié)果影響很小[3]。本文所述模型的結(jié)構(gòu)以彎曲為主，依據(jù)經(jīng)驗，該計算采用邊界條件為鉸支：δx=δy= δz=0，如表3所示。

5 計算工況

5.1 工況1一定位樁下放或收起

工況1為定位樁下放或收起時，共有三處設(shè)備載荷（見圖4）：（1）吊鉤眼板位置鋼絲繩的拉力;（2）滑輪位置鋼絲繩的拉力; （3）絞車位置鋼絲繩的拉力。

尾部定位樁重量為50 t，定位樁重力為500 kN。由圖2的設(shè)備布置可知：吊鉤眼板和導(dǎo)向滑輪位置的鋼絲繩拉力應(yīng)該分別是250 kN，但此處考慮到海底泥土的吸附力，樁體側(cè)壁摩擦力等外力載荷，單根鋼絲繩拉力取500 kN。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，設(shè)計載荷取額定拉力的1.25倍，即取P =625 kN。

設(shè)計載荷通過系索施加，力的作用點如下：吊鉤眼板拉力F1的作用點，距定位樁支柱封板415 mm;滑輪拉力F2的作用點，距頂平臺1 055 mm;鋼絲繩角度與垂向成28°;絞車拉力F3作用點距絞車平臺1500mm，鋼絲繩角度與水平成62°。

吊鉤眼板產(chǎn)生的拉力及彎矩主要由方形立柱承受，方形立柱尺寸為500 mmx500 mmx15 mm;與眼板焊接的封板做局部加厚，立柱橫向封板20 mm、水平封板40 mm;導(dǎo)向滑輪產(chǎn)生的壓力主要由FRO尾封板承受，此處FRO尾封板板厚15 mm，布置垂直扶強材;導(dǎo)向滑輪所在的頂平臺板厚15 mm，與導(dǎo)向滑輪焊接處的頂平臺板，局部做50 mm的加厚嵌入板;電動絞車承受拉力，需要將絞車基座沿受力方向的反面加強結(jié)構(gòu)做成強構(gòu)件。

5.2 工況2-定位樁擱置

工況2為定位樁擱置時，有一個垂直向下的載荷（見圖5），載荷大小由設(shè)備商提供：F42=-1550 kN，力的作用點距27 060 mm平臺865 mm、距尾封板640mmo

定位樁擱置時產(chǎn)生的壓力，主要是由FRO尾封板承受，此處FRO尾封板板厚15 mm，布置垂直扶強材;擱置裝置所在的27 060 mm平臺板厚15 mm，與擱置裝置焊接處的平臺板局部做了25 mm的加厚嵌入板。

6 強度衡準

屈服強度和屈曲強度，均按照英國勞氏船級社《鋼質(zhì)海船人級規(guī)范》（2019）相關(guān)準則進行校核。

根據(jù)規(guī)范要求：機械設(shè)備處甲板板及甲板下加強結(jié)構(gòu)的許用相當應(yīng)力為85%材料的最小屈服點;許用剪切應(yīng)力為47%材料的最小屈服點[4]。

材料屈服極限：A級鋼σy=235 N/mm2; AH36高強鋼σy=355 N/mm2。因此，本模型許用應(yīng)力標準如下：

7 結(jié)構(gòu)強度校核結(jié)果

7.1 屈服強度校核

板及構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)不超過相關(guān)的許用應(yīng)力衡準：本模型計算的板單元、梁/桿單元最大合成應(yīng)力，見表4。

7.2 屈曲強度校核

本模型應(yīng)對所有主要構(gòu)件進行平板屈曲強度評估，屈曲評估中臨界屈曲應(yīng)力應(yīng)考慮適當?shù)臉藴蕼p薄厚度，本模型減薄厚度1 mm。在平板屈曲計算中，應(yīng)考慮雙向軸向壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，一般情況下以板內(nèi)的中面應(yīng)力來進行屈曲應(yīng)力檢查;板格的屈曲安全因子λ應(yīng)不小于相關(guān)的屈曲安全因子，屈曲安全因子λ>1，滿足規(guī)范要求。

本船的屈曲校核是由勞氏船級社的shipright計算軟件來完成后處理的，后處理中的系數(shù)為1/λ<1，滿足規(guī)范要求。

8 結(jié)論

由以上計算結(jié)果可知，通過對定位樁配套設(shè)備加強結(jié)構(gòu)的有限元強度分析，表明在對應(yīng)工況載荷作用下，該設(shè)備加強結(jié)構(gòu)滿足勞氏船級社的相關(guān)強度要求。本文可類似的設(shè)備加強結(jié)構(gòu)提供設(shè)計參考。

參考文獻

[1]苗得雨.絞吸式挖泥船定位樁系統(tǒng)受力分析[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[2]徐海波，宋群星.工程船箱型定位樁有限元計算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].船舶物資與市場，2020，（2）：11-12.

[3]中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計實用手冊結(jié)構(gòu)分冊[M].北京：國防工業(yè)出版社2013.

[4] Lloyd's ReOster. Rules and Regulations for the Classifiration of ships July[M].2019.