船用系泊設(shè)備結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式改進(jìn)

朱榮榮,周駿

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司 海上重工設(shè)計研究院,上海 200125)

作為船舶固定的重要設(shè)備，尤其在惡劣氣象條件下，船用系泊設(shè)備所遇到的沖擊載荷會非常大，為避免船體受損，非常有必要對系泊設(shè)備的船體支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，確保系泊設(shè)備下的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計安全可靠。而系泊設(shè)備下支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)劣，除了考慮系泊設(shè)備下支撐結(jié)構(gòu)的安全性，還應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計的可操作性和經(jīng)濟(jì)性。并且，不同的加強(qiáng)設(shè)計方案，會直接影響到船舶的建造成本。為此，采用大型結(jié)構(gòu)分析軟件MSC.PATRAN/NASTRAN，對某型深水鋪管船艉部系泊設(shè)備下的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，在滿足規(guī)范強(qiáng)度要求的前提下，對加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計形式進(jìn)行改進(jìn)，對比分析不同加強(qiáng)設(shè)計形式的效果，以期為船舶設(shè)計人員在設(shè)計系泊設(shè)備加強(qiáng)方案時提供參考。

1 系泊布置及其加強(qiáng)方案

1.1 艉部系泊設(shè)備布置

本船干舷甲板艉部共布置了6個四滾柱導(dǎo)纜器，6個巴拿馬運(yùn)河導(dǎo)纜孔(嵌入式)，8個帶纜樁，6個羊角單滾輪導(dǎo)纜器，對稱布置于干舷甲板左右舷。以左舷系泊設(shè)備為研究對象，具體布置見圖1。

圖1 系泊設(shè)備布置示意

1.2 系泊設(shè)備加強(qiáng)設(shè)計

系泊設(shè)備由于所受載荷比較大，必須布置在甲板強(qiáng)構(gòu)件上，以便有效地傳遞系泊載荷，因此對系泊設(shè)備下結(jié)構(gòu)加強(qiáng)首先考慮對位加強(qiáng)方式。以帶纜樁為例，加強(qiáng)方案見圖2。加強(qiáng)構(gòu)件的尺寸主要有L1-700×14AH36+250×20AH36、L1-700×14+250×20等，材質(zhì)為普通鋼和AH36高強(qiáng)鋼。巴拿馬導(dǎo)纜孔附近加強(qiáng)主要采用20AH36高強(qiáng)度鋼。

圖2 帶纜樁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意

2 有限元分析

2.1 有限元模型

考慮到結(jié)構(gòu)的對稱性，僅對左舷支撐結(jié)構(gòu)建立有限元模型進(jìn)行分析。船體的各類板結(jié)構(gòu)、強(qiáng)橫梁、縱桁、肋骨等的腹板以及艙壁均采用shell板殼單元模擬。次要構(gòu)件及主要構(gòu)件的面板和加強(qiáng)筋采用beam梁單元模擬，并考慮偏心。在系泊設(shè)備區(qū)域均采用細(xì)化網(wǎng)格，單元大小控制在175 mm×175 mm。按照規(guī)范要求，模型所有構(gòu)件的板厚扣除腐蝕余量2 mm。

模型采用右手笛卡爾坐標(biāo)系作為總體坐標(biāo)系，并采用N、mm、t、MPa的單位制。模型范圍?。篎R0～FR6；：距中14 700 mm～外板；：9700ABL～16800ABL。邊界范圍的選取以不影響中心區(qū)域的計算結(jié)果為原則，見圖3。在模型邊界處施加、、3個方向的線位移約束。

圖3 艉部結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 系泊載荷作用點(diǎn)及方向

根據(jù)規(guī)范要求，船用配件上系索載荷的作用點(diǎn)應(yīng)是系索的附著點(diǎn)或系索方向變化處。對于帶纜樁，系泊索的連接點(diǎn)應(yīng)位于基座以上至少4/5的筒體高度，如圖4a)所示。如果筒體上安裝了擋板以保證系泊索盡可能低，則系泊索的作用點(diǎn)可取為擋板的高度，如圖4b)所示。羊角單滾輪導(dǎo)纜器的系索載荷作用點(diǎn)取底座高度，載荷方向按照系泊布置圖出繩布置為準(zhǔn)。四滾柱導(dǎo)纜器和巴拿馬導(dǎo)纜孔相似，其內(nèi)側(cè)系索垂向角度最大為15°，外側(cè)系索水平角度為±90°，垂向角度為向上30°，向下60°。

圖4 帶纜樁受力示意圖[1]

2.3 系泊工況設(shè)計載荷

導(dǎo)纜孔和帶纜樁的安全工作載荷通常按以下2種方法確定。

1)與舾裝數(shù)要求對應(yīng)的系索破斷載荷。

2)實(shí)際選用系索的最小破斷載荷。

改進(jìn)前，系泊設(shè)備的安全工作載荷按照第2種方法選定。根據(jù)規(guī)范要求，取系索破斷強(qiáng)度(975 kN)的1.15倍作為船體支撐結(jié)構(gòu)的最小設(shè)計負(fù)荷。當(dāng)系泊索在系泊設(shè)備處轉(zhuǎn)向，作用在設(shè)備上的設(shè)計載荷應(yīng)為系泊索設(shè)計載荷的合力，但不需超過2倍的系泊索設(shè)計負(fù)荷。

2.4 典型工況

由于導(dǎo)纜孔和導(dǎo)纜器的導(dǎo)向作用，帶纜樁所承受載荷的方向只能沿纜繩的方向(指向?qū)Ю|孔)，加載方式見圖4。導(dǎo)纜孔和導(dǎo)纜器在纜繩的作用下，除受到沿纜繩方向(指向帶纜樁)的載荷外，還受到沿出繩方向的載荷作用。以艉側(cè)四滾柱導(dǎo)纜器為例，結(jié)合可能的出繩方向，主要載荷工況設(shè)定見表1。羊角單滾輪導(dǎo)纜器按照系泊設(shè)備布置圖上的出繩方向進(jìn)行加載。

表1 艉側(cè)四滾柱導(dǎo)纜器典型工況 (°)

2.5 許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

模型選用von Mises合成應(yīng)力作為校核衡準(zhǔn)，根據(jù)船級社建議的許用應(yīng)力系數(shù)，細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域單元的許用應(yīng)力如下。

平均等效應(yīng)力許用值[]=1.0×；

單個單元等效應(yīng)力許用值[]=1.2×；

自由邊界單元等效應(yīng)力許用值[]=1.5×；

其中：為材料的最小屈服強(qiáng)度；為材料系數(shù)。

2.6 計算結(jié)果

通常，系泊設(shè)備是按照船舶設(shè)計規(guī)范要求選取的標(biāo)準(zhǔn)件，是完全能夠滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的，故只需分析系泊設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度即可。

在有限元計算過程中，對于應(yīng)力水平超過235 MPa的單元，可以加大厚度，抑或?qū)⒉馁|(zhì)改為高強(qiáng)度鋼。所有工況下的板單元和梁單元的應(yīng)力峰值見表2，單元應(yīng)力最大值為297 MPa，小于應(yīng)力許用值355 MPa，即帶纜樁、導(dǎo)纜器、導(dǎo)纜孔相關(guān)的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足許用應(yīng)力的要求。經(jīng)重量統(tǒng)計，艉部左舷所布置的系泊設(shè)備加強(qiáng)構(gòu)件共計約7.485 t。

表2 有限元模型單元應(yīng)力峰值 MPa

3 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改進(jìn)

按照加強(qiáng)應(yīng)盡量不破壞原有結(jié)構(gòu)布置的原則，對結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式進(jìn)行改進(jìn)，特別是帶纜樁下方的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。由于艉部帶纜樁均為斜向布置，改進(jìn)前采用對位加強(qiáng)的形式，導(dǎo)致承受總縱彎矩的甲板縱向構(gòu)件間斷。為保持甲板結(jié)構(gòu)布置形式不變，現(xiàn)采用區(qū)域板架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計，既不破壞結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，又可以滿足強(qiáng)度要求。

同樣以帶纜樁為例，改進(jìn)方案見圖5，取消原底座兩側(cè)的L1-700×14AH36+250×20AH36加強(qiáng)布置，將帶纜樁所在位置處甲板縱骨改為T-500×12AH36+150×14AH36，并在帶纜樁立柱下方增加橫向肘板的加強(qiáng)布置。另外，對導(dǎo)纜孔、羊角滾輪下的加強(qiáng)設(shè)計也進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)先采用12 mm或14 mm高強(qiáng)鋼設(shè)計。加強(qiáng)方案改進(jìn)前、后的對比發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后取消了大量腹板高度為700 mm的T排加強(qiáng)構(gòu)件，并且保證了甲板縱向構(gòu)件連續(xù)。

圖5 帶纜樁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)圖(改進(jìn)后)

4 改進(jìn)后的強(qiáng)度校核

4.1 載荷及工況的選擇

4.1.1 系索破斷載荷

改進(jìn)前，有限元計算中的系索破斷載荷按照實(shí)際選定的系索規(guī)格Φ88 mm×200 m(破斷載荷為975 kN)設(shè)定。經(jīng)查舾裝數(shù)計算書，此工程船舾裝數(shù)=5 888，按照規(guī)范要求，系船索最小破斷載荷取706 kN即可。在當(dāng)前船舶設(shè)計中，選用與舾裝數(shù)對應(yīng)的系索破斷載荷更為合理。因?yàn)閷?shí)際選用的系索規(guī)格通常要高于舾裝數(shù)要求對應(yīng)的系索規(guī)格，這將直接導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計載荷的增大，除在某些特殊情況(如船東需求等)下，不建議選用。故在設(shè)計方案改進(jìn)后的有限元計算中，將系索破斷載荷降為706 kN。

4.1.2 帶纜樁受力點(diǎn)

改進(jìn)前，帶纜樁上系泊索作用點(diǎn)選擇最為保守的帶纜樁頂端位置的節(jié)點(diǎn)。而此工程船所選用的帶纜樁均設(shè)置了擋板，按照規(guī)范要求，對于筒體上安裝了擋板的帶纜樁，系泊索的作用點(diǎn)可以取在擋板的高度。故在改進(jìn)后的計算模型中，帶纜樁受力點(diǎn)設(shè)置在擋板高度處，可有效降低帶纜樁底部的彎矩載荷。

4.1.3 導(dǎo)纜孔和導(dǎo)纜器載荷工況

以艉側(cè)導(dǎo)纜孔為例，導(dǎo)纜孔的受力見圖6。

圖6 導(dǎo)纜孔/導(dǎo)纜器受力示意

假設(shè)原點(diǎn)為導(dǎo)纜孔和纜繩接觸點(diǎn)，右側(cè)為導(dǎo)纜孔內(nèi)側(cè)拉力，左側(cè)為導(dǎo)纜孔外側(cè)拉力，故導(dǎo)纜孔在甲板水平面內(nèi)和方向上所受載荷如下。

=cos-cos

(1)

=sin-sin

(2)

式中：內(nèi)側(cè)角度由于帶纜原因不會發(fā)生變化，且艉側(cè)帶纜一般只會向船舶左側(cè)系纜，故當(dāng)=90°時，和的值最大，即纜繩出繩方向和船體外表面平行時，水平面內(nèi)受力最大。所以在設(shè)定導(dǎo)纜孔和導(dǎo)纜器載荷工況時，按照外側(cè)角度在垂直方向上的變化來區(qū)分。由于舷側(cè)的導(dǎo)纜器布置在橫向強(qiáng)框架之間，相互影響小，且加強(qiáng)結(jié)構(gòu)相對于導(dǎo)纜器對稱布置，所以也只需要考慮=90°或-90°一種角度即可。同樣以艉側(cè)四滾柱導(dǎo)纜器為例，經(jīng)篩選后的受載工況見表3，與表1相比，有限元計算工況數(shù)量減少了75%。

表3 艉側(cè)四滾柱導(dǎo)覽器受載工況(改進(jìn)后) (°)

4.2 有限元計算結(jié)果分析

修改有限元計算模型，對表3所列的載荷工況分別進(jìn)行計算，校核模型單元在各工況下的應(yīng)力最大值。對于應(yīng)力超標(biāo)的單元，通過修改加強(qiáng)構(gòu)件的板厚、規(guī)格或材質(zhì)，使其應(yīng)力水平滿足應(yīng)力衡準(zhǔn)要求。另外，在校核單元應(yīng)力水平過程中，單個單元應(yīng)力衡準(zhǔn)可取426 MPa，但要確保此單元和周邊單元的應(yīng)力平均值不超過355 MPa。

例舉所有工況計算結(jié)果中的應(yīng)力峰值，見表2，可見改進(jìn)后的模型單元在各計算工況下應(yīng)力峰值均滿足規(guī)范應(yīng)力衡準(zhǔn)要求，且個別單元的材料強(qiáng)度基本用足，即在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的同時，又將結(jié)構(gòu)重量控制在最低水平。

5 效果分析

經(jīng)統(tǒng)計，改進(jìn)后系泊設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的重量共計約3.003 t，與改進(jìn)前相比，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的重量共減輕約4.482 t，降幅達(dá)60%，改進(jìn)效果明顯。全船共布置有帶纜樁24個，四滾柱導(dǎo)纜器10個，巴拿馬導(dǎo)纜孔22個，羊角單滾輪導(dǎo)纜器21個，若這些系泊設(shè)備加強(qiáng)設(shè)計均采用上述改進(jìn)設(shè)計方法，可節(jié)約不少鋼材用量，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

1)系泊設(shè)備下方支撐結(jié)構(gòu)的布置可優(yōu)先采取對位加強(qiáng)形式。但對于斜向布置的設(shè)備，采用區(qū)域板架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式更為有效。

2)在系泊操作中，盡量降低纜繩的作用點(diǎn)，以減小設(shè)備所承受的彎矩載荷。同時，應(yīng)盡量避免纜繩和船體外板夾角過小的情況發(fā)生，以減小船上系泊設(shè)備受力。

3)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)盡量在原船體結(jié)構(gòu)布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行，確保結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。在局部應(yīng)力較大的區(qū)域盡量采用高強(qiáng)度鋼，以減輕空船重量。

4)設(shè)計時宜選用與舾裝數(shù)對應(yīng)的系索破斷載荷作為船體支撐結(jié)構(gòu)的最小設(shè)計負(fù)載。