FPMC48800DWT船绞车加强设计及有限元分析

朱旭志 李启杰

（广船国际技术中心）

0 前言

某海运股份有限公司设计建造的油船，为无上壁墩设计，甲板面主要支撑构件处于甲板面上方。在上甲板面货舱区设置两台绞车，其中艉部绞车设置在FR61肋位处，艏部绞车设置在FR205肋位处，由于艉部绞车位于船艉0.25L范围之内，除了绞车在使用过程中的受力以外，还需要考虑上浪载荷对结构强度的影响，由于艏部的绞车比艉部的绞车更加典型，故选取艏部绞车进行相关的设计。

1 系泊绞车的布置及船体结构特点

1.1 系泊绞车的设置

系泊绞车主要有以下几个方面的功能：（1）当船舶靠岸时，为了束缚停靠码头的船舶；（2）固定装载或卸载时船舶的特定位置，保证装卸间距；（3）牵引油船离靠港；（4）引导船只通过运河等特殊航道；（5）应对应急情况等等。而这一系列的功能是通过系泊绞车牵引缆绳来实现。根据使用要求，50000DWT级的船舶通常会在货舱区首尾设置两台绞车。

绞车整体安放在甲板面上，绞车周围设置工作操作平台。根据船东的设计意见和厂家操作空间要求，工作平台大小为5900mmX3590mm，其中沿船长方向为5900毫米，如图1所示。

1.2 系泊绞车座的特点

系泊绞车通常由外单位设计制造，船厂负责安装。绞车和船体结构之间是通过绞车座座架来连接。当绞车工作时，其受到的外力载荷会传递到相连的绞车座架以及绞车平台和反面的加强上，实现载荷的有序传递。所以座架的形式也直接关系到其对应的船体结构加强。

如图2所示，整个绞车座架由4档主要支撑腹板构成，每档腹板上方对应安装面板，用于安放绞车；在面板下端设有肘板，肘板的形式有两种，一种是上端顶死焊接，下端离空削斜，见图3；一种是上下端都顶死焊接，见图4。在加强方案设计的时候，除了需要对主要支撑腹板进行加强之外，还需要对上下端都顶死焊接的肘板做加强。

1.3 主船体结构的特点

本船的甲板强横梁等主要支撑构件布置在甲板面上方，如图5所示。所以，绞车座的加强依托现有的主船体结构形式，进行设计。

2 绞车的结构加强设计

2.1 绞车座平台设计

根据主船体结构形式，并使主船体结构得以充分利用，将安装绞车座的平台基面设置与甲板强横梁面板位置平齐，平台板与甲板强横梁面板之间焊接，形成绞车座平台。使作业周边整洁，将平台的支撑结构设置在平台面反面，使平台上表面为一个平坦面。同时，为了避免应力集中，将平台端部增加肘板，使结构平缓过渡，见图6所示。

2.2 绞车座主要支撑及其肘板加强结构设计

因为绞车座架落在绞车座平台上，且平台的支撑构件设置在平台反面，所以绞车座的主要支撑坐板以及肘板的加强对应设置在平台反面。座架的4档支撑坐板为主要受力结构，根据其位置，利用主船体的甲板强横梁结构，将第一档和第三档坐板与甲板强横梁#201/#205腹板对齐，在绞车平台反面对第二、第四档坐板进行加强。平台为5900mmX3590mm的钢结构，我们需要对平台进行均匀布置加强筋，以保证平台的屈服强度和屈曲强度。根据计算，采用HP220X10（AH36）的球扁钢，以600mm为间距进行布置。

在确定主要受力结构后，需对绞车座架肘板进行反面加强，保证施工空间，根据肘板加强位置以及加强筋的位置，对结构进行调整，以使结构最优化。调整后的平台结构及反面加强见图7、图8所示。

图1 系泊绞车布置图（局部）

图2 系泊绞车座架图

3 有限元计算分析

3.1 模型的建立

有限元模型中包括了绞车座下的所有支撑结构构件、绞车座座架、绞车座平台、主甲板、纵骨、甲板强横梁、纵桁以及肘板等构件，其中腹板采用壳体单元模拟，面板采用壳单元或者梁单元模拟，所有直接承受载荷的基座下纵骨及加强筋等适当采用壳体单元或者偏心的梁单元模拟。有限元模型的网格大小为200mm，远离绞车座的非重要区域的单元适当增大。有限元模型的建立使用通用有限元软件MSC/PATRAN进行，计算则使用MSC/NASTRAN程序。模型的建立以H-CSR规范作为入级要求，如网格的选取、划分、模型的范围、材料尺寸的折减、载荷施加和应力衡准等。

3.2 坐标系及量纲

模型的总体坐标系采用右手笛卡尔坐标系，X方向为船长方向，指向船艏；Y方向为船宽方向，自中纵剖面指向左舷；Z方向为型深方向，自基线指向甲板。结构模型的建立和载荷施加过程中采用牛，毫米，吨的单位制。

3.3 边界条件

由于模型边界均取在强构件处，且模型范围大于设备基座范围，故有限元模型在边界处施加x、y、z三方向的线位移约束。

3.4 系泊绞车校核衡准

系泊绞车的结构有限元单元属性基于总厚度，设备支撑结构强度应满足：

对于普通船用低碳钢：

图3 下端削斜肘板

图4 下端顶死肘板

图5 甲板面主船体结构形式

图8 绞车座平台及其反面加强

3.5 系泊绞车的施加载荷及工况

系泊绞车的系索破断强度为568KN,设计载荷为1.25倍的系索破断载荷，取568X1.25=710KN。由于系泊绞车的最大拉力为120KN,远远小于缆绳的破断强度，所以校核时取缆绳的破断强度工况。

除此之外，还需要进行绞车的上浪载荷校核，包括绞车的左侧上浪、右侧上浪及船艏的迎浪。由于绞车布置在右侧，此时左侧的上浪小于右侧的上浪，所以取甲板的右侧上浪和船艏迎浪工况。

3.6 有限元模型及受力云图

根据规范要求和绞车加强的结构设计，有限元模型见图9所示。

施加载荷工况后，其受力应力云图见图10，为了方便对比结果，正应力采用有限元中常用的Von Mises应力法则，即：

根据有限元计算结果，艏部绞车加强最大正应力σ=227MPa<235MPa，最大剪切应力τ=131MPa<141MPa,满足规范中的强度要求。

4 结束语

本文根据FPMC船东的特殊要求，以及系泊设备图纸和船体结构特点，通过合理的结构布置，尽量使结构最优化，从而减少船体结构重量以及生产成本，对绞车座进行结构平台设计，并且根据H-CSR规范的相关要求，进行有限元强度校核，其结构强度满足要求。

图6 绞车座平台

图7 绞车平台及其反面加强

图9 绞车加强有限元模型

图10 有限元应力云图