閆晉輝，羅桂山

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011；2.海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031）

系泊拖帶設(shè)備船體加強結(jié)構(gòu)的強度分析

閆晉輝1，羅桂山2

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011；2.海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031）

帶纜樁和導纜孔在船舶系泊、拖帶作業(yè)中通常會受到很大的載荷作用，在船舶設(shè)計過程中有必要對系泊、拖帶設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)進行強度分析。以MSC.PATRAN/NASTRAN為平臺，根據(jù)船體尾部甲板的結(jié)構(gòu)形式、系泊和拖帶設(shè)備布置以及船體結(jié)構(gòu)加強形式建立船體局部有限元模型，通過對不同設(shè)計方案下的支撐結(jié)構(gòu)進行計算，分析比較導纜孔、帶纜樁區(qū)域船體加強結(jié)構(gòu)的應力分布情況，并著重對導纜孔區(qū)域的加強形式進予以考慮，以期為系泊、拖帶設(shè)備加強結(jié)構(gòu)的強度校核和優(yōu)化設(shè)計提供一定的參考。

系泊設(shè)備；拖帶設(shè)備；支撐結(jié)構(gòu)；安全工作載荷；許用應力設(shè)計

系泊設(shè)備主要指船舶正常系泊作業(yè)時所使用的系纜樁與纜柱、系纜器、立式滾輪、以及用于正常拖帶作業(yè)的拖樁、拖纜孔等設(shè)備[1]。支撐結(jié)構(gòu)主要是指位于設(shè)備之下，直接承受、傳遞和分配作用在設(shè)備上載荷的船體局部結(jié)構(gòu)。

當船舶在系泊、拖帶作業(yè)時，由于作業(yè)海域風浪載荷的不確定性，系泊纜繩、拖帶纜繩出繩方向的不唯一性，均可能導致帶纜樁或?qū)Ю|孔及其支撐結(jié)構(gòu)受到比較大的載荷作用。為保證船舶的安全使用和IMO通函MSC/Circ.1175的要求，需要對系泊和拖帶設(shè)備的船體支撐結(jié)構(gòu)進行強度分析。通常，用于系泊和拖帶的舾裝件為標準件，在船舶設(shè)計中根據(jù)規(guī)范選取，能夠滿足結(jié)構(gòu)的強度要求，因此只需分析系泊和拖帶設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的強度即可[2]。

在船舶系泊和拖帶作業(yè)中，作用在帶纜樁、導纜孔等設(shè)備上的載荷隨著系泊和拖帶的方式不同而發(fā)生變化，本文以某型船尾部甲板用于系泊拖帶工況的帶纜樁和導纜孔的支撐結(jié)構(gòu)為主要研究對象，分析其船體支撐結(jié)構(gòu)在各典型設(shè)計工況作用下的受力特點及應力分布，以期對系泊、拖帶設(shè)備船體支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供一定的參考。

1 甲板結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置

1.1 帶纜樁的布置

根據(jù)船舶系泊和拖帶需要，帶纜樁通常有三種布置形式，沿船長方向（縱向型）、沿船寬方向（橫向型）和斜向（斜向型）布置。以橫骨架式甲板結(jié)構(gòu)為例，布置型式參見圖1。根據(jù)不同型式的布置及甲板板架結(jié)構(gòu)特點，可以采用不同的加強方式。導纜孔一般嵌入船體外板或者近甲板邊緣布置。

1.2 甲板結(jié)構(gòu)

系泊和拖帶設(shè)備必須布置在作為甲板結(jié)構(gòu)一部分的縱桁、強橫梁等構(gòu)件上，以便有效的傳遞拖帶力和系泊力。對于帶纜樁、嵌入式導纜孔等設(shè)備其加強相對容易實現(xiàn)，而對于非嵌入式的導纜孔，其布置更為靠近船邊、底座尺寸較小，其下方的甲板加強形式容易受到施工空間的影響。對于僅通過底座與船體焊接的導纜孔下方的加強形式，必須通過強度計算以證明能滿足特定的工作狀態(tài)。

系泊和拖帶設(shè)備下方甲板加強構(gòu)件必須按作用在設(shè)備及其連接結(jié)構(gòu)上的拖帶力的方向保證有效的布置，對于與設(shè)備主要支撐結(jié)構(gòu)相連的甲板縱桁、強橫梁、支柱及其他構(gòu)件等，其強度和變形也應考慮到因載荷方向變化而引起的載荷大小的變化。

圖1 帶纜樁布置型式示意Fig.1 Arrangement types of bollard

2 載荷分析

2.1 帶纜樁及導纜孔的選型

本次計算帶纜樁采用《ISO 13795-2012》標準中A400A型（甲板尾部）和A350A型（甲板舷側(cè)）兩種型式，尾部導纜孔采用《ISO 13729-2012》標準中A-450x250x428型式，舷側(cè)采用《ISO 13713-2012》標準中A-250x200型式。

其中A400A型帶纜樁和A-450x250x428型導纜孔主要用于船舶系泊和拖帶工況，A350A型帶纜樁和A-250x200型導纜孔主要用于船舶系泊工況。

2.2 設(shè)計載荷

2.2.1 系泊工況設(shè)計載荷

導纜孔和帶纜樁的安全工作載荷SWL（Safety Working Load），通常按以下兩種方法來確定：

（1）與舾裝數(shù)要求對應的系索（纜索）的破斷載荷；

（2）實際選用系索（纜索）的最小破斷載荷MBL（Minimum Breaking Load）。

由于船舶舾裝數(shù)是通過各種船舶數(shù)據(jù)計算出來的，因此，在當前船舶設(shè)計中，選用與舾裝數(shù)對應的系索（纜索）的破斷載荷要更為合理。實際選用的系索規(guī)格通常要高于與舾裝數(shù)要求對應的系索規(guī)格，這將直接導致支撐結(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。

系泊作業(yè)下，文獻[3]中指出支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計載荷應為按照船舶相應的舾裝數(shù)要求的系索（纜索）公稱斷裂強度的125%，而導纜孔和帶纜樁的安全工作載荷SWL（Safety Working Load）不應超過該設(shè)計載荷的80%。

2.2.2 拖帶工況設(shè)計載荷

導纜孔和帶纜樁的安全工作載荷SWL（Safety Working Load），選用方法如下[3]：

（1）用于正常拖帶作業(yè)的安全工作載荷，如在港內(nèi)或調(diào)遣，不應超過在拖帶和系泊布置圖上標明最大拖索負荷的80%；

（2）對于其他拖帶作業(yè)的安全工作載荷，如伴航，不應超過拖索的公稱斷裂強度。

用于在港內(nèi)或調(diào)遣作業(yè)的正常拖帶，支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計載荷應為在拖帶和系泊布置圖上標明最大拖索負荷的125%；用于港內(nèi)或調(diào)遣作業(yè)以外的其他拖帶服務(wù)，如伴航服務(wù)，支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計載荷應為拖索的公稱斷裂強度；通常情況下，系泊采用單圈多重纏繞，對樁本身受力更復雜，而拖帶一般為單圈纏繞。

上文所述對于SWL的要求也僅適用于一根繩索用一個繩圈纏繞于單個帶纜樁的形式[3]，對于采用兩根繩索的情況，ISO 13795:2012(E)標準給出了對應的SWL，較之一根繩索下的SWL，不同型號的帶纜樁均有一定比例（6%～32%）的折減。

在結(jié)構(gòu)強度評估中除應充分考慮施加設(shè)計載荷的實際作用線，還需考慮特殊布置，但支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計載荷，通常不需要大于系纜索或拖索設(shè)計載荷的兩倍。

3 基于許用應力法的強度計算

3.1 帶纜樁及導纜孔的加強

本文強度分析的對象為船舶尾部帶纜樁和導纜孔下的船體支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)備僅通過底座與甲板連接，平面布置參如圖2和圖3。由于帶纜樁、導纜孔的支撐結(jié)構(gòu)屬于非常局部的結(jié)構(gòu)，屬于局部應力問題，根據(jù)有限元建模的基本要求，近似模擬帶纜樁、導纜孔底座及其相連的船體結(jié)構(gòu)。初始方案參如圖4和圖5。

圖2 尾部船中區(qū)域帶纜樁和導纜孔布置示意Fig.2 Arrangement of bollard and chock near the deck center line in the aft region of ship

圖3 尾部舷側(cè)區(qū)域帶纜樁和導纜孔布置示意Fig.3 Arrangement of bollard and chock near the deck side line in the aft region of ship

圖4 船中帶纜樁和導纜孔加強結(jié)構(gòu)示意（初始方案）Fig.4 Local reinforcements of bollard and chock near the deck center line(initial plan)

圖5 舷側(cè)帶纜樁和導纜孔加強結(jié)構(gòu)示意（初始方案）Fig.5 Local reinforcements of bollard and chock near the deck side line(initial plan)

3.2 帶纜樁及導纜孔受力簡析

纜繩在帶纜樁不同高度位置盤繞，可以產(chǎn)生剪力和彎矩兩種載荷。如圖6所示，當盤繞位置在大約80%的帶纜樁高度時，主要產(chǎn)生彎矩載荷，當盤繞在帶纜樁底部時，將主要產(chǎn)生剪力載荷[4]。根據(jù)相關(guān)研究報告[4]，彎矩載荷對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響要大于剪力載荷對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，所以在本次工作中，主要針對彎矩載荷對結(jié)構(gòu)的影響進行研究。

導纜孔作為纜繩的導向設(shè)備，不同工況下載荷作用高度差別不大，所產(chǎn)生的彎矩載荷和剪力載荷對設(shè)備和支撐結(jié)構(gòu)的影響不容忽視。

3.3 基于許用應力法的有限元模型

本文采用許用應力法分析帶纜樁加強結(jié)構(gòu)的強度和變形(縱向型，斜向型)，采用MSC.PATRAN/NASTRAN進行有限元建模和線彈性計算?？紤]到結(jié)構(gòu)的對稱性，僅對一舷支撐結(jié)構(gòu)予以分析。有限元模型中，尾部帶纜樁加強結(jié)構(gòu)主要包括兩道沿著基座縱向設(shè)置的縱桁，兩道沿著基座橫向設(shè)置的短橫梁和兩道沿著橫向設(shè)置的設(shè)備支撐肘板，以及橫骨架式甲板板架布置的橫向球扁鋼骨材（參見圖4）。舷側(cè)帶纜樁由于是斜向布置，考慮到船體甲板結(jié)構(gòu)的設(shè)計形式和便于施工等因素，采用間斷普通骨材，沿底座布置縱桁、橫梁、肘板等加強結(jié)構(gòu)的形式（參見圖5）。在設(shè)備加強區(qū)域，所有構(gòu)件均采用shell單元，單元大小控制在50 mm×50 mm。

圖6 帶纜樁受力形式示意Fig.6 Load applications types

3.3.1 加強方案

根據(jù)局部加強方案，初始方案下的有限元模型主要按照表1中所示構(gòu)件建立，參見圖4和圖5，但在初步強度校核中發(fā)現(xiàn)在導纜孔局部加強筋和腹板上存在高應力。為了改善導纜孔支撐結(jié)構(gòu)的強度，局部加強的最終尺寸按表2進行調(diào)整，參見圖6和圖7。

以船中加強為例，圖8和圖9給出了有限元模型中初始加強方案和優(yōu)化后的加強方案示意，圖中線框區(qū)域示意加強筋結(jié)構(gòu)與導纜孔、帶纜樁底座周界對齊。船體及加強結(jié)構(gòu)采用DH32高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼。同樣，對舷側(cè)導纜孔加強形式也進行了優(yōu)化。

表1 船體加強結(jié)構(gòu)尺寸（初始方案，mm）Tab.1 Dimension of hull local reinforcements(initial plan,mm)

表2 船體加強結(jié)構(gòu)尺寸（優(yōu)化方案，mm）Tab.2 Dimension of hull local reinforcements(optimized plan,mm)

圖6 船中帶纜樁和導纜孔加強結(jié)構(gòu)示意（優(yōu)化方案）Fig.6 Local reinforcements of bollard and chock near the deck center line(optimized plan)

圖7 舷側(cè)帶纜樁和導纜孔加強結(jié)構(gòu)示意（優(yōu)化方案）Fig.7 Local reinforcements of bollard and chock near the deck side line(optimized plan)

圖8 船中帶纜樁和導纜孔加強結(jié)構(gòu)有限元模型示意（初始方案）Fig.8 FE model of local reinforcements of bollard and chock near the deck center line(initial plan)

圖9 船中帶纜樁和導纜孔加強結(jié)構(gòu)有限元模型示意（優(yōu)化方案）Fig.9 FE model of local reinforcements of bollard and chock near the deck center line(optimized plan)

本次計算中，對于帶纜樁的加強采用“對位加強”形式，帶纜樁區(qū)域的加強結(jié)構(gòu)保持初始方案不做進一步調(diào)整，導纜孔區(qū)域的加強結(jié)構(gòu)經(jīng)過逐步設(shè)計主要有以下修改：

（1）A-500×250×428導纜孔下原支撐結(jié)構(gòu)為─120 mmx8 mm、P120 x 6和8 mm肘板，經(jīng)過優(yōu)化加強，局部P120x6調(diào)整為T型材（規(guī)格見表2），─120 mmx8 mm和8 mm肘板的厚度調(diào)整至10 mm；

（2）A-300×250導纜孔下原支撐結(jié)構(gòu)為P120x6，經(jīng)過優(yōu)化加強，局部P120x6調(diào)整為T型材（規(guī)格見表2），增設(shè)10 mm肘板。

3.3.2 典型工況

由于導纜孔的導向作用，帶纜樁所承受載荷的方向只能沿纜繩的方向（指向?qū)Ю|孔），是單方向的；而導纜孔在纜繩的作用下，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?；诖耍Y(jié)合本船可能的出繩方向，主要載荷工況見表3所示。本文結(jié)合舾裝數(shù)相關(guān)計算得到本船在系泊狀態(tài)下纜繩的MBL為368 kN，在拖帶狀態(tài)下纜繩的MBL為800 kN，結(jié)合2.2節(jié)所述，選用1.25倍的MBL作為校核設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計載荷。有限元模型中，該設(shè)計載荷施加在帶纜樁柱體一定高度的參考點上，通過MPC單元將載荷作用至帶纜樁柱體上，再傳遞至船體結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

圖10 有限元模型加載示意：A帶纜樁；B導纜孔Fig.10 Load application in FE model:A bollard and B chock

3.4 邊界條件及許用應力

本文計算采用的坐標系統(tǒng)：原點O位于Fr0肋位基線處，X軸沿船首為正方向，Y軸沿船左舷為正方向，Z軸沿船上方為正方向。為消除邊界條件的影響和節(jié)省計算時間，經(jīng)多次試算模型橫向和縱向范圍選取5倍帶纜樁底座寬度范圍，垂向范圍取本甲板至下層甲板的高度。

表3 典型載荷工況Tab.3 Typical load cases

根據(jù)IACS及船級社規(guī)范規(guī)定，未細化板單元的許用正應力為100%所用材料的屈服點，許用剪切應力為60%所用材料的屈服點，在計算中不考慮應力集中因素。本文參考文獻[5]，選用Mises合成應力作為校核很準，同時參考《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2015)第2篇第1章第1.5.6.6節(jié)，50mmx50mm細化區(qū)域板單元的許用應力如下：

[бe]=1.5x235/K

式中：K為材料系數(shù)，本次計算取為0.78。

4 計算結(jié)果

基于優(yōu)化網(wǎng)格和簡化模型處理考慮，本次有限元模型中將帶纜樁柱體模擬為方形，為了確保本模擬方法不會產(chǎn)生大的應力變化，與圓形柱體形式下的計算結(jié)果進行了比較，如圖11所示，從應力分布來看，方形柱體方案由于底座周界可以與下方加強結(jié)構(gòu)很好的連接，可以更為有效的支撐設(shè)備并將載荷傳遞開來，而圓形柱體方案由于圓弧段與下方加強肘板僅在局部形成有效支撐，使得柱體傳遞的載荷主要由局部肘板承載，所以，僅圖中線框所示肘板的應力分布有所不同。本文經(jīng)過計算分析，帶纜樁設(shè)備加強結(jié)構(gòu)的強度等滿足許用應力的要求，并且?guī)Ю|樁和導纜孔之間沒有明顯的應力相互影響區(qū)域，最大應力水平亦差別不大，基于此考慮，本次計算中主要采用方形柱體方案。

圖11 帶纜樁加強結(jié)構(gòu)應力云圖比較Fig.11 Comparison of stress contour figures of reinforcements of bollard

4.1 帶纜樁支撐結(jié)構(gòu)應力結(jié)果

經(jīng)計算，帶纜樁支撐結(jié)構(gòu)的強度和甲板板架變形均滿足相應的要求，支撐結(jié)構(gòu)采用“對位加強”的形式，可以有效地承受通過樁體傳遞至船體的載荷，本文不再對其支撐結(jié)構(gòu)做進一步的加強或者優(yōu)化構(gòu)件尺寸，表4給出了初始方案下支撐結(jié)構(gòu)的應力水平，圖12和圖13則給出了加強結(jié)構(gòu)的應力分布示意。

表4 帶纜樁加強結(jié)構(gòu)有限元計算結(jié)果（MPa）Tab.4 FE calculation results of reinforcements of bollard(MPa)

圖12 帶纜樁加強結(jié)構(gòu)應力云圖（船中）Fig.12 Stress contour figures of reinforcements of bollard(Center)

圖13 帶纜樁加強結(jié)構(gòu)應力云圖（舷側(cè)）Fig.13 Stress contour figures of reinforcements of bollard(Side)

4.2 導纜孔支撐結(jié)構(gòu)應力結(jié)果

導纜孔由于承受的載荷（合力）方向不定，相對較為復雜，初始方案下，加強結(jié)構(gòu)的強度很難滿足要求。為滿足強度要求，在不同載荷組合、不同加強形式下做了大量的計算分析，因此本次研究的重點也在于優(yōu)化導纜孔的加強形式，初始方案下導纜孔加強結(jié)構(gòu)的應力水平見表5，應力分布參見圖14和圖15。

表5 導纜孔加強結(jié)構(gòu)有限元計算結(jié)果（初始方案）（MPa）Tab.5 FE calculation results of reinforcements of chock（initial plan）(MPa)

圖14 導纜孔加強結(jié)構(gòu)應力云圖（船中-初始方案）Fig.14 Stress contour figures of reinforcements of chock(Center-initial plan)

圖15 導纜孔加強結(jié)構(gòu)應力云圖（舷側(cè)-初始方案）Fig.15 Stress contour figures of reinforcements of chock(Side-initial plan)

由表5所給應力水平可知，LC01和LC07工況下初始加強結(jié)構(gòu)強度明顯不足，進一步分析其它工況，可知初始加強結(jié)構(gòu)的強度在各工況下均不滿足要求，因此，有必要對導纜孔的加強結(jié)構(gòu)做進一步加強優(yōu)化。從圖14和圖15應力云圖分布知最大應力出現(xiàn)在導纜孔基座四個角點位置對應的船體構(gòu)件上，根據(jù)這些高應力區(qū)域的分布特點，對初始方案中采用的球扁鋼、扁鋼等結(jié)構(gòu)逐步修改其規(guī)格、型式，對支撐肘板的厚度予以逐步加厚，最終得到如表2所示加強結(jié)構(gòu)的優(yōu)化尺寸，按照表3所給工況給出有限元計算結(jié)果，見表6。

表6 導纜孔加強結(jié)構(gòu)有限元計算結(jié)果（優(yōu)化方案）（MPa）Tab.6 FE calculation results of reinforcements of chock(optimized plan)(MPa)

分析表6數(shù)據(jù)可知，基于優(yōu)化加強方案，支撐結(jié)構(gòu)的應力水平較初始加強方案下的應力水平有顯著降低，以LC02和LC08為例，較初始加強方案應力下降了20%以上，但是由于載荷方向的不確定性，部分工況下支撐結(jié)構(gòu)的應力水平依然相對較高，此時，根據(jù)設(shè)計需求，決定是否對目前加強方案作進一步的調(diào)整。

5 結(jié)論

本文以某艦船尾部甲板帶纜樁和導纜孔的支撐結(jié)構(gòu)為主要研究對象，確定了系泊、拖帶狀態(tài)下的主要載荷工況，基于許用應力分析方法研究和計算了設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的強度及甲板板架變形情況，給出了支撐結(jié)構(gòu)的應力水平。通過對船體系泊設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)強度直接計算結(jié)果的討論與分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）為保證系泊拖帶操作的安全，必須保證帶纜樁和導纜孔區(qū)域船體結(jié)構(gòu)有足夠的強度和剛度，必要時需擴大局部加強范圍和采用高強度鋼。

（2）導纜孔布置于船側(cè)或船端，這些位置甲板與船體外板容易形成較小的空間，不利于設(shè)備下方支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)置，所以從設(shè)計角度考慮，導纜孔下方的加強更應引起足夠的重視。

（3）系泊和拖帶設(shè)備應布置于強構(gòu)件上，必要時在局部增設(shè)強構(gòu)件以對設(shè)備形成有效支撐。同時，由于載荷方向的不確定性，在設(shè)計中需根據(jù)船型特點和設(shè)備布置情況確定纜繩可能的出繩方向，以最優(yōu)化強構(gòu)件的布置和設(shè)計。

（4）設(shè)備下方支撐結(jié)構(gòu)的布置最好能夠與設(shè)備底座形成有效支撐，也即采取對位加強形式，在對位加強形式難以實現(xiàn)時，可以采用區(qū)域板架結(jié)構(gòu)加強形式。

（5）在系泊拖帶操作中，盡量降低纜繩的作用點，以減小彎矩；同時，應盡量減少出現(xiàn)纜繩夾角較小的情況。

[1]張冠楠,孫慧莉.系泊設(shè)備及結(jié)構(gòu)加強的規(guī)范分析及應用析[J].船舶設(shè)計通訊,2014(2):78-81.

[2]潘英杰,楊 啟.拖帶與系泊設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)強度計算及加強[J].造船技術(shù),2008(1):11-15.

[3]中國船級社.鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2015.

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[5]譚銀朝,劉國平,李國強.54 000 DWT散貨船船體拖帶與系泊設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的有限元強度分析[J].浙江海洋學院學報:自然科學版,2015,34(3):296-300.

Strength Assessment for Reinforcements of Mooring and Towing Equipments

YAN Jin-hui1,LUO Gui-shan2
(1.Marine Design&Research Institute of China,Shanghai 200011；2.Navy Representative Office at shanghai NO.704 Research Instiute,Shanghai 200031,China)

Bollard and chock are usually affected by large loads in the mooring or towing operations.It is necessary to analyse the strength of reinforcements of mooring and towing equipment.Based on the MSC.Patran/Nastran,the local hull finite element models were established according to the aft deck grillage arrangement,mooring and towing equipment arrangement and the type of reinforcements.According to the calculation of reinforcements under different design plans,the different stress distribution of the reinforcements were analyzed and compared.The types of reinforcements of chock were primarily took into consideration.This research will provide certain reference for the checking and optimization of reinforcements of mooring and towing equipment.

mooring equipments;towing equipments;reinforcements;safety working load(SWL);allowable stress design(ASD)

U663.7

：A

2016-10-01

閆晉輝（1986-），男，山西長治人，工程師，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度分析.E-mail:yanjinhuiok@126.com

1008－830X(2017)01－0034－08