朱榮榮,周駿

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

作為船舶固定的重要設備，尤其在惡劣氣象條件下，船用系泊設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備的船體支撐結構進行強度分析，確保系泊設備下的結構加強設計安全可靠。而系泊設備下支撐結構設計方案的優(yōu)劣，除了考慮系泊設備下支撐結構的安全性，還應充分考慮結構加強設計的可操作性和經(jīng)濟性。并且，不同的加強設計方案，會直接影響到船舶的建造成本。為此，采用大型結構分析軟件MSC.PATRAN/NASTRAN，對某型深水鋪管船艉部系泊設備下的加強結構進行有限元分析，在滿足規(guī)范強度要求的前提下，對加強結構的設計形式進行改進，對比分析不同加強設計形式的效果，以期為船舶設計人員在設計系泊設備加強方案時提供參考。

1 系泊布置及其加強方案

1.1 艉部系泊設備布置

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

圖1 系泊設備布置示意

1.2 系泊設備加強設計

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

圖2 帶纜樁加強結構示意

2 有限元分析

2.1 有限元模型

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

模型采用右手笛卡爾坐標系作為總體坐標系，并采用N、mm、t、MPa的單位制。模型范圍取：FR0～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 艉部結構有限元模型

2.2 系泊載荷作用點及方向

根據(jù)規(guī)范要求，船用配件上系索載荷的作用點應是系索的附著點或系索方向變化處。對于帶纜樁，系泊索的連接點應位于基座以上至少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，則系泊索的作用點可取為擋板的高度，如圖4b)所示。羊角單滾輪導纜器的系索載荷作用點取底座高度，載荷方向按照系泊布置圖出繩布置為準。四滾柱導纜器和巴拿馬導纜孔相似，其內(nèi)側系索垂向角度最大為15°，外側系索水平角度為±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 系泊工況設計載荷

導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)要求對應的系索破斷載荷。

2)實際選用系索的最小破斷載荷。

改進前，系泊設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，取系索破斷強度(975 kN)的1.15倍作為船體支撐結構的最小設計負荷。當系泊索在系泊設備處轉向，作用在設備上的設計載荷應為系泊索設計載荷的合力，但不需超過2倍的系泊索設計負荷。

2.4 典型工況

由于導纜孔和導纜器的導向作用，帶纜樁所承受載荷的方向只能沿纜繩的方向(指向導纜孔)，加載方式見圖4。導纜孔和導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。以艉側四滾柱導纜器為例，結合可能的出繩方向，主要載荷工況設定見表1。羊角單滾輪導纜器按照系泊設備布置圖上的出繩方向進行加載。

表1 艉側四滾柱導纜器典型工況 (°)

2.5 許用應力衡準

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

平均等效應力許用值[]=1.0×；

單個單元等效應力許用值[]=1.2×；

自由邊界單元等效應力許用值[]=1.5×；

其中：為材料的最小屈服強度；為材料系數(shù)。

2.6 計算結果

通常，系泊設備是按照船舶設計規(guī)范要求選取的標準件，是完全能夠滿足結構強度要求的，故只需分析系泊設備支撐結構的強度即可。

在有限元計算過程中，對于應力水平超過235 MPa的單元，可以加大厚度，抑或將材質(zhì)改為高強度鋼。所有工況下的板單元和梁單元的應力峰值見表2，單元應力最大值為297 MPa，小于應力許用值355 MPa，即帶纜樁、導纜器、導纜孔相關的加強結構強度均滿足許用應力的要求。經(jīng)重量統(tǒng)計，艉部左舷所布置的系泊設備加強構件共計約7.485 t。

表2 有限元模型單元應力峰值 MPa

3 結構加強改進

按照加強應盡量不破壞原有結構布置的原則，對結構加強形式進行改進，特別是帶纜樁下方的結構加強。由于艉部帶纜樁均為斜向布置，改進前采用對位加強的形式，導致承受總縱彎矩的甲板縱向構件間斷。為保持甲板結構布置形式不變，現(xiàn)采用區(qū)域板架結構加強設計，既不破壞結構的連續(xù)性，又可以滿足強度要求。

同樣以帶纜樁為例，改進方案見圖5，取消原底座兩側的L1-700×14AH36+250×20AH36加強布置，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布置。另外，對導纜孔、羊角滾輪下的加強設計也進行了改進，優(yōu)先采用12 mm或14 mm高強鋼設計。加強方案改進前、后的對比發(fā)現(xiàn)，改進后取消了大量腹板高度為700 mm的T排加強構件，并且保證了甲板縱向構件連續(xù)。

圖5 帶纜樁加強結構圖(改進后)

4 改進后的強度校核

4.1 載荷及工況的選擇

4.1.1 系索破斷載荷

改進前，有限元計算中的系索破斷載荷按照實際選定的系索規(guī)格Φ88 mm×200 m(破斷載荷為975 kN)設定。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。在當前船舶設計中，選用與舾裝數(shù)對應的系索破斷載荷更為合理。因為實際選用的系索規(guī)格通常要高于舾裝數(shù)要求對應的系索規(guī)格，這將直接導致支撐結構設計載荷的增大，除在某些特殊情況(如船東需求等)下，不建議選用。故在設計方案改進后的有限元計算中，將系索破斷載荷降為706 kN。

4.1.2 帶纜樁受力點

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

4.1.3 導纜孔和導纜器載荷工況

以艉側導纜孔為例，導纜孔的受力見圖6。

圖6 導纜孔/導纜器受力示意

假設原點為導纜孔和纜繩接觸點，右側為導纜孔內(nèi)側拉力，左側為導纜孔外側拉力，故導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)側角度由于帶纜原因不會發(fā)生變化，且艉側帶纜一般只會向船舶左側系纜，故當=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。所以在設定導纜孔和導纜器載荷工況時，按照外側角度在垂直方向上的變化來區(qū)分。由于舷側的導纜器布置在橫向強框架之間，相互影響小，且加強結構相對于導纜器對稱布置，所以也只需要考慮=90°或-90°一種角度即可。同樣以艉側四滾柱導纜器為例，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 艉側四滾柱導覽器受載工況(改進后) (°)

4.2 有限元計算結果分析

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

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

5 效果分析

經(jīng)統(tǒng)計，改進后系泊設備加強結構的重量共計約3.003 t，與改進前相比，加強結構的重量共減輕約4.482 t，降幅達60%，改進效果明顯。全船共布置有帶纜樁24個，四滾柱導纜器10個，巴拿馬導纜孔22個，羊角單滾輪導纜器21個，若這些系泊設備加強設計均采用上述改進設計方法，可節(jié)約不少鋼材用量，具有一定的經(jīng)濟效益。

6 結論

1)系泊設備下方支撐結構的布置可優(yōu)先采取對位加強形式。但對于斜向布置的設備，采用區(qū)域板架結構加強形式更為有效。

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

3)加強結構設計應盡量在原船體結構布置的基礎上進行，確保結構的連續(xù)性。在局部應力較大的區(qū)域盡量采用高強度鋼，以減輕空船重量。

4)設計時宜選用與舾裝數(shù)對應的系索破斷載荷作為船體支撐結構的最小設計負載。