系泊设备下结构加强的安全性设计

舒 展

(天海融合防务装备技术股份有限公司，上海 201612)

系泊设备下结构加强的安全性设计

舒 展

(天海融合防务装备技术股份有限公司，上海 201612)

以某集散两用船为例，利用大型结构分析软件MSC Patran/Nastran，对该船尾部系泊设备下船体支撑结构建立尾部有限元模型，通过对系泊设备在各种组合载荷工况下的受力分析和强度计算，校核并完善加强结构设计方案，达到优选方案的目的，并满足相关规范要求，保证结构强度，保证船舶在运营中尾部系泊设备的使用安全以及对船舶尾部结构安全性的考虑。

系泊；有限元；加载；强度计算；安全性设计

0 前 言

随着经济全球化的影响，船舶在航行区域和航程上扩宽扩大，遇到的海况也随之增加。船舶系泊设备作为船舶固定装置的重要设备，对于船舶各种载荷下的受力分析尤为重要，建议利用先进的计算机程序进行多角度、多个载荷工况下的强度校核。尤其在遇到台风的情况下，船用系泊设备在停靠码头时，所遇到的冲击力极大，想要船舶不被台风带走，避免经济损失，保证船舶系泊设备的安全性设计不得不精打细算，且在尾部结构系泊设备加强的设计中，既要保证船舶结构的强度和施工方便，又要考虑到结构的安全性和强度要求。

另外，船舶在营运过程中，经常需要进行拖带和系泊作业，拖带和系泊设备需承受较大的载荷。随着船舶安全性要求的不断提高，船舶系泊设备的强度问题越来越引人关注，系泊设备加强结构的损坏严重影响船舶的经济性和安全性。而事实证明，系泊设备加强结构的损坏在很多情况下与对加强结构强度考虑不周有关。

随着电子计算机的不断发展，特别是近年来软、硬件技术的飞速发展和广泛应用，利用有限元计算软件对船体结构进行分析验算，已成为当前结构设计中十分重要的环节。

本文采用大型结构分析软件MSC Patran/Nastran，对某集散两用船尾部系泊设备下支撑结构建立尾部有限元模型，通过结果分析并完善结构设计方案，使得系泊设备下支撑结构满足船级社及相关规范的要求，确保船舶使用的安全性。

1 尾部系泊设备布置及有限元模型

1.1 尾部系泊设备布置

本船尾部共设置3个导缆孔、4个五滚柱导缆器、3个带缆桩和2个羊角滚轮导缆器，对称分布于上甲板左右舷，具体位置及编号如图1所示。

图1 尾部系泊布置

1.2 尾部结构有限元模型

系泊设备下加强结构计算属于局部结构校核的范畴，选取系泊设备位置处甲板结构，边界延伸到强构件上即可，边界选取的原则是尽可能减小边界条件对中心区域的影响，但考虑系泊设备在尾部甲板的分布情况，本次有限元计算建立整个尾部甲板模型，有限元模型如图2所示。

图2 尾部甲板有限元模型

船体的各类板结构，强横梁、纵桁、肋骨等的腹板以及舱壁采用4节点板壳单元模拟，尽量避免使用3节点板壳单元。

次要构件以及主要构件的面板和加强筋采用梁单元模拟，并考虑偏心。

系泊设备位置处的纵骨、加强筋等的腹板也应采用板壳单元模拟，面板用梁单元模拟。

参考相应标准，建立系泊设备底座模型。

1.3 结构尺寸

根据规范要求，所有构件考虑2 mm的腐蚀增量。

1.4 材料属性

船体所用材料为钢材，取弹性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85 t/m3。

2 设计载荷

主要考虑工作载荷对结构的影响，同时还考虑结构自重的影响。

2.1 拖带设备

拖带设备下支撑结构的最小设计负荷应为下列(1)或(2)适用的任一数值，除非船用配件由申请者规定更大的安全工作负荷(Safe Working Load, SWL)。

(1) 用于正常拖带操作(如港区 / 调遣) 的设计负荷应为拖带与系泊布置计划指示的预期的最大拖带负荷(如系柱静拖力)的1.25倍。

(2) 对于其他拖带服务(如伴航)，应为CCS《钢质海船入级规范》第2分册中表 3.2.1.1(2)舾装数N对应的拖索的破断负荷。

2.2 系泊设备

作用于船舶配件及船体支撑结构的设计负荷应为CCS《钢质海船入级规范》第2分册中表 3.2.1.1(2)舾装数N对应的系索破断负荷的1.25 倍。

舾装数N按下式计算：

式中 ： Δ为夏季载重线下的型排水量，t；B为船宽，m；h为从夏季载重线至最上层舱室顶部的有效高度，m。对最下层的层高hi从上甲板中心线量起，或具有不连续上甲板时，从上甲板最低线及其平行于升高部分甲板的延伸线量起，即h=a+∑hi,其中：a为从船舯夏季载重水线至上甲板的距离，m；hi为各层宽度大于B/4 的舱室，在其中心线处量计的高度，m；A为船长L范围内夏季载重水线以上的船体部分和上层建筑以及各层宽度大于B/4 的甲板室侧投影面积总和，m2。

本船拖索破断负荷1 471 kN，系泊索破断负荷490 kN，系泊设备安全工作负荷如表1所示，则得到系泊设备的设计载荷如表2所示。

表1 系泊设备安全工作负荷 t

表2 系泊设备设计载荷 t

3 设计工况

载荷的作用点应是系泊索或拖索的附着点或绳索方向变化处。导缆孔和导缆器受力如图3所示，规定逆时针为正。

定义F为设计载荷，α为入缆角度，一般为定值；β为xy平面的出缆角度，γ为出缆在自身垂直平面内与水平面的夹角，Fx1，Fy1分别是入缆对导缆孔的合

图3 导缆孔、导缆器受力示例

力在x，y方向的分量；Fx2，Fy2和Fz2分别是出缆对导缆孔的合力在x，y和z方向的分量，Fxtotal，Fytotal和Fztotal分别是导缆孔总合力在x，y和z方向的分量，那么Fxtotal=Fx1+Fx2

Fytotal=Fy1+Fy2

Fztotal=Fz2式中：Fx1=F·cosα；Fy1= F·sinα；Fx2= F·cosγ·cosβ；Fy2= F·cosγ·sinβ；Fz2= F·sinγ。

篇幅所限，仅以导缆孔A1为例。A1导缆孔的设计载荷F=1 500 000N；入缆角度α=66°；xy平面的出缆角度β范围从90°～270°，计算取90°，135°，180°，225°，270° 等5个角度；出缆在自身垂直平面内与水平面的夹角γ的范围从30°～-60°，计算取30°，0°，-30°，-60° 等4个角度；那么组合起来A1导缆孔总共有20个计算工况，各工况受力如表3所示。

表3 A1导缆孔受力情况

续表3 A1导缆孔受力情况 N

4 有限元计算结果

篇幅所限，仅对A1导缆孔进行分析。A1导缆孔原加强方案如图4和图5所示，纵向方向在底座底下加设板厚15 mm肘板，横向方向在靠近尾封板的底座下加设扁钢FB 200×15，另一边加设球扁钢HP 140×9。

图4 A1导缆孔原加强方案

图5 A1导缆孔原加强方案有限元模型

从计算结果来看，在大部分工况下，结构的相当应力已大于结构的许用应力值，强度不满足规范要求，需对原加强方案进行修改。

从结果应力云图来看，原方案初步作如下修改：

(1) 肘板板厚修改为25AH36;

(2) 扁钢FB 200×15修改为FB 200×25AH36;

(5) 甲板局部加厚，A1导缆孔附近甲板由9.5 mm修改为15AH;

(6) 尾封板改为高强钢，由原来板厚13 mm改为13AH;

(7) 球扁钢HP 140×9改为肘板，肘板板厚25AH36。

根据上述修改方案，修改有限元模型，重新进行计算。从计算结果分析，结构相当应力小于结构的许用应力值，强度满足规范要求。但是从有限元模型可以看到，加强之间的空间比较狭小，现场施工会较为麻烦，需对方案进行一些修改，减小施工难度，修改后的最终方案如图6和图7所示。说明如下：

图6 A1导缆孔最终加强方案

图7 A1导缆孔最终加强方案有限元模型

(1) 肘板板厚修改为25AH36;肘板向中间倾斜15°;

(2) 扁钢FB 200×15修改为FB 200×25AH36;扁钢焊接到尾封板上;

(5) 甲板局部加厚，A1导缆孔附近甲板由9.5 mm修改为15AH;

(6) 尾封板改为高强钢，由原来板厚13 mm改为15AH;

(7) 球扁钢HP 140×9改为肘板，肘板板厚25AH36。

根据上述修改方案，再次修改有限元模型，重新进行计算。从计算结果分析，在各个工况下，结构的相当应力均小于结构的许用应力值，强度满足规范要求。各工况A1导缆孔下支撑结构的屈服强度如表4所示，典型工况下的应力云图和变形云图如图8和图9所示。

表4 A1导缆孔下支撑结构的屈服强度 N/mm2

5 结 论

图8 LC_A1_02相当应力云图

图9 LC_A1_05相当应力云图

本文通过有限元计算软件MSC.Patran/Nastran,从系泊设备工作状态下的各种载荷工况出发，对系泊设备下船体支撑结构的强度进行分析，并根据计算结果分析完善原有加强方案，在兼顾生产施工的同时使得系泊设备下船体支撑结构在各种载荷工况下的强度均满足规范要求，由此保证船舶系泊设备下结构设计的安全性，并且使得船舶系泊设备下结构加强的设计更加优化和实用，减少占用船舶甲板下舱内的有效空间，达到有效利用和经济性能指标的优化，并能满足抵抗台风载荷下结构设计的安全性要求。

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Structural Safety Design under Mooring Equipment Reinforcer

SHU Zhan

(Bestway Marine & Energy Technology Co., Ltd.， Shanghai, 201612， China)

A large structural analysis software MSC Patran/Nastran is used to establish the tail finite element model of structural supported mooring equipment reinforcer of a container and bulk carrier, the force analysis and strength calculation of mooring equipment under various combined load cases are carried out to check and improve the design of strengthening structure, the purpose of optimization plan is achieved, the relevant standards and requirements are met, and the structural strength is ensured. This design is to be verified and optimized for guarantee mooring equipment reinforcing safety in shipping operation.

mooring； finite element； load；strength calculation； safety design

舒 展(1981-)，男，工程师，研究领域为船舶工程三维数字化

1000-3878(2017)04-0028-07

U663

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