吳猛 李明明 張艷君

摘? ? 要：由于錨泊系泊設(shè)備作業(yè)條件變數(shù)多，致使船舶在該區(qū)域的結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，因此對該區(qū)域船體的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注。本文以一艘62m沿?？痛瑸檠芯繉ο螅攸c(diǎn)闡述了其首部錨泊系泊設(shè)備區(qū)域船體加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元仿真計(jì)算。通過對錨泊系泊設(shè)備各作業(yè)工況的受力分析與計(jì)算，并基于計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其最終結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：錨泊系泊；加強(qiáng)結(jié)構(gòu)；有限元

中圖分類號：U663.7? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Reinforced Structure Design and Simulation Calculation of Mooring Equipment for 62 m Coastal Passenger Ship Forcastle Mooring

WU Meng，? LI Mingming，? ZHANG Yanjun

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation，? Guangzhou 510250 ）

Abstract： Due to the complexity of the arrangement and operation of mooring equipment， the structural force of ships in this area is more complex. Therefore， the design and strength analysis of the strengthened structure of the hull in this area should be paid more attention to. In this paper， a 62 m coastal passenger ship is taken as the research object， and the whole process of structural strengthening design and finite element simulation optimization of the hull of the forcastle mooring equipment area is described. Through the calculation and analysis of various operating conditions of mooring equipment， the calculation results show that the structural strength of the optimized area meets the requirements of therule. Finally， relevant conclusions are presented for the design and simulation of mooring reinforcement structure in mooring area.

Key words： mooring;? reinforced structure design;? finite element

1? ? ?引言

錨泊和系泊設(shè)備是服務(wù)于船舶停泊和?？康闹匾O(shè)備，該類設(shè)備在作業(yè)時(shí)使船舶相關(guān)區(qū)域的的結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力較大，而易損壞引起船舶的安全問題。近年來，由于船舶錨泊和系泊設(shè)備區(qū)域結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度問題造成的船舶損壞事故時(shí)有發(fā)生，因此，為了保障船舶的安全性和可靠性，對錨泊和系泊設(shè)備所在區(qū)域的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析并做相應(yīng)加強(qiáng)十分必要。

2? ? 系泊及錨泊設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

本船首部錨泊設(shè)備設(shè)一臺兼有系泊絞車作用的起錨機(jī)和兩套掣鏈器（左右舷各一套）；系泊設(shè)備設(shè)有立式滾輪三套（左右舷各一套、船中FR94處一套）、系纜樁四套（左右舷各兩套）、導(dǎo)纜孔四套（左右舷墻內(nèi)嵌各兩套及首部船中位置一套）以及一套應(yīng)急拖帶裝置。其布置如圖1所示。

依據(jù)錨泊系泊設(shè)備布置圖在相應(yīng)的船舶結(jié)構(gòu)圖中確定出各設(shè)備的具體位置，參照中國船級社《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2021）[1-2]（以下簡稱《規(guī)范》）的有關(guān)要求，有針對性地對各設(shè)備所處位置的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和必要的加強(qiáng)。其方案有：對于起錨設(shè)備考慮其自身設(shè)備重量以及作業(yè)時(shí)所受拉力均較大，因此在設(shè)計(jì)其基座時(shí)應(yīng)當(dāng)對構(gòu)件適當(dāng)加強(qiáng)，且在其基座相應(yīng)位置底部的甲板反面增加強(qiáng)桁材予以支撐，從而保證所影響區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及設(shè)備的安全作業(yè)；對于系纜樁優(yōu)先考慮布設(shè)在強(qiáng)結(jié)構(gòu)的位置，必要時(shí)可以沿其四個(gè)側(cè)壁在主甲板的反向增加加強(qiáng)構(gòu)件，根據(jù)其所受力的大小綜合考慮采用角鋼或者T型桁材。對于立式滾輪，可在其與甲板接觸點(diǎn)的反面增加縱向和橫向兩條強(qiáng)桁材形成“十”字形，有利于各方向上的力傳遞。

錨泊系泊設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

3? ? 首部系泊及錨泊設(shè)備結(jié)構(gòu)有限元仿真

3.1? ?有限元模型與邊界條件

3.1.1 有限元模型

本仿真借助通用有限元軟件PATRAN進(jìn)行建模和計(jì)算。對錨泊系泊設(shè)備受力所影響的船體區(qū)域進(jìn)行建模，有限元模型范圍：長度X方向從FR85至船首，寬度Y方向從右舷至左舷，高度Z方向從主甲板至駕駛甲板。其中，導(dǎo)纜孔內(nèi)嵌于二層甲板與駕駛甲板之間的舷墻上。

船舶錨泊系泊設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料采用船用低碳鋼（CCS-A），鋼材的密度為7 850 kg/m3、彈性模量E為2.06×1011 N/m2、泊松比為0.3、屈服強(qiáng)度為235 MPa。結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸按結(jié)構(gòu)圖紙標(biāo)注尺寸建模，但按照《規(guī)范》應(yīng)當(dāng)考慮2 mm的腐蝕余量，即按各構(gòu)件的厚度均按實(shí)際厚度減小2 mm建模。

參照《規(guī)范》對模型的具體要求，網(wǎng)格大小取約1/4肋骨間距；支撐結(jié)構(gòu)周圍區(qū)域網(wǎng)格適當(dāng)加密，以反映設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的實(shí)際分布[3]。板材及強(qiáng)桁材的腹板采用板單元模擬，骨材及強(qiáng)桁材的面板采用梁單元模擬。其中，梁單元是具有軸向、扭轉(zhuǎn)、雙向剪切和彎曲剛度的兩節(jié)點(diǎn)單元，板單元是具有面內(nèi)剛度和面外彎曲剛度的三節(jié)點(diǎn)或四節(jié)點(diǎn)單元[5]。

3.1.2 邊界條件

確定邊界條件以不影響中心區(qū)域的計(jì)算結(jié)果為原則。本計(jì)算中對整個(gè)模型的上部邊緣、底部邊緣以及FR85肋位邊界處進(jìn)行剛性固定約束，即節(jié)點(diǎn)的U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0。

3.2? ? 計(jì)算載荷

結(jié)合《規(guī)范》要求，沿?？痛撞肯挡醇板^泊設(shè)備結(jié)構(gòu)加強(qiáng)計(jì)算主要考慮下列載荷。

3.2.1? 自重載荷

船體結(jié)構(gòu)及設(shè)備的自重通過重力加速度施加，即g=9.81 m/s2。其中，首部錨機(jī)的質(zhì)量為2 000 kg，不可忽略。錨機(jī)重量用質(zhì)量點(diǎn)予以模擬，其位置在錨機(jī)設(shè)備的重心處。

3.2.2 系泊時(shí)立式滾輪及導(dǎo)纜孔受到的載荷

根據(jù)實(shí)際設(shè)備選型，本船系船索的破斷力為107 kN。由《規(guī)范》3.6.4.3（1）可知，作用于立式滾輪及船體支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)負(fù)荷為系船索破斷力的1.15倍，即1.15×107 kN=123.05 kN。

由《規(guī)范》3.6.3.3（5）設(shè)計(jì)載荷應(yīng)根據(jù)拖帶與系泊布置圖中的布置，各種可能出現(xiàn)的方向施加于配件。當(dāng)拖索在配件處轉(zhuǎn)向，作用在配件上的設(shè)計(jì)載荷應(yīng)為拖索設(shè)計(jì)載荷的合力，但不會超過 2 倍的拖索設(shè)計(jì)負(fù)荷，如圖3所示。導(dǎo)纜孔根據(jù)系索布置計(jì)算載荷分量的合成力[4]。

本計(jì)算所施加的載荷是由錨泊系泊設(shè)備所受的力分解到三個(gè)坐標(biāo)軸，然后再合成為一個(gè)合力。各立式滾輪及導(dǎo)纜孔所受力的大小詳見設(shè)計(jì)工況表1。

3.2.3 系纜樁受到的載荷

與立式滾輪及導(dǎo)纜孔相同，作用于系纜樁及船體支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)負(fù)荷為系船索破斷力的1.15倍，即1.15×107=123.05 kN。

根據(jù)本船錨泊系泊設(shè)備布置圖，其系纜樁的實(shí)際參數(shù)及工作狀況可知，力的作用點(diǎn)與甲板的距離為0.325 m。力的作用點(diǎn)通過MPC與船體結(jié)構(gòu)的相關(guān)點(diǎn)相連接。

3.2.4 錨泊時(shí)掣鏈器及錨機(jī)受到的載荷

根據(jù)錨泊系泊設(shè)備布置圖，本船所選擇的錨鏈為GB/T 549-2008 AM3-26，其破斷載荷為556 kN。由《規(guī)范》3.7.2.3可知，校核掣鏈器時(shí)設(shè)計(jì)載荷取錨鏈最小破斷載荷的80%，即0.8×556 kN =444.8 kN；校核錨機(jī)（帶掣鏈器）時(shí)，設(shè)計(jì)載荷取錨鏈最小破斷載荷的45%，即0.45×556 kN =250.2 kN。

掣鏈器的實(shí)際參數(shù)及工作狀況可知，掣鏈器合力的作用點(diǎn)與甲板的距離為0.478 m；錨機(jī)合力作用點(diǎn)與甲板最大距離為0.86 m。力的作用點(diǎn)通過MPC與船體結(jié)構(gòu)的相關(guān)點(diǎn)相連接。

3.2.5 拖航時(shí)拖索的拖力

根據(jù)錨泊系泊設(shè)備布置圖，本船所選拖索的破斷力為250.1 kN。結(jié)合實(shí)際作業(yè)狀況可知，拖帶眼板所受合力的作用點(diǎn)與甲板的距離為0.174 m，合力的作用點(diǎn)通過MPC與船體結(jié)構(gòu)的相關(guān)點(diǎn)相連接。

3.3? ?計(jì)算工況與校核衡準(zhǔn)

3.3.1 計(jì)算工況

由于本船首部錨泊系泊區(qū)域的結(jié)構(gòu)和設(shè)備大部分左右舷對稱，只有少數(shù)設(shè)備非對稱，因此本計(jì)算選取左舷的錨泊系泊設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算并單獨(dú)對非對稱設(shè)備可能使用的情況進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)合《規(guī)范》的要求和錨泊系泊設(shè)備各工況的受力情況進(jìn)行分析，針對性地假設(shè)了28個(gè)計(jì)算工況?，F(xiàn)列出其中5個(gè)工況設(shè)計(jì)案例，如表1所示。

3.3.2 校核衡準(zhǔn)

根據(jù)《規(guī)范》3.7.2.7規(guī)定，各種工況下支撐結(jié)構(gòu)和基座的計(jì)算應(yīng)力應(yīng)不大于表2中的許用應(yīng)力值。

3.4? 計(jì)算結(jié)果及應(yīng)對措施

對上述各工況進(jìn)行計(jì)算，得出計(jì)算結(jié)果。其中，大部分工況下的計(jì)算結(jié)果均滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，而部分工況下的計(jì)算結(jié)果不滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，如掣鏈器與主甲板連接區(qū)域的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值超過235 MPa。為了降低此處結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值，采取了加大構(gòu)件尺寸和加厚構(gòu)件板厚的措施，同時(shí)對掣鏈器的加強(qiáng)構(gòu)件在錨鏈筒處的連接方式由折角型改為圓弧型，使其力學(xué)性能更加科學(xué)合理。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力降低為200 MPa左右，滿足規(guī)范要求。對于錨機(jī)區(qū)域，由于船體結(jié)構(gòu)本身較為復(fù)雜，有限元模型的網(wǎng)格劃分質(zhì)量參差不齊，部分計(jì)算結(jié)果突變偏大。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)該區(qū)域有限元網(wǎng)格質(zhì)量較差，出現(xiàn)有部分尖角網(wǎng)格或者相鄰網(wǎng)格大小差異大的情況。在尖角網(wǎng)格處對構(gòu)件進(jìn)行了重新布置，避免構(gòu)件間尖角的出現(xiàn)從而改善網(wǎng)格質(zhì)量，而在網(wǎng)格大小差異大的區(qū)域采用過渡網(wǎng)格從小網(wǎng)格過渡到大網(wǎng)格的措施，使網(wǎng)格質(zhì)量大為改善，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的計(jì)算結(jié)果比較理想。本船通過計(jì)算與設(shè)計(jì)改進(jìn)相結(jié)合，其首部錨泊系泊區(qū)域結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度均滿足《規(guī)范》要求。具體的計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示（僅列舉其中3個(gè)工況的計(jì)算案例）。

4? ? 結(jié)論

本文基于規(guī)范要求，對62 m沿?？痛撞垮^泊系泊區(qū)域的船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此提出以下建議：

1）在進(jìn)行錨泊系泊區(qū)域的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備在甲板處的受力構(gòu)件對齊，并使加強(qiáng)結(jié)構(gòu)盡量連接至船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)桁材或者艙壁等強(qiáng)結(jié)構(gòu)處，以利于力的傳遞；

2）對于計(jì)算結(jié)果不滿足強(qiáng)度要求的結(jié)構(gòu)區(qū)域，可能是有限元網(wǎng)格劃分不合理導(dǎo)致。例如，本計(jì)算中錨機(jī)基座處的網(wǎng)格出現(xiàn)夾角過小的情況致使其計(jì)算結(jié)果突變。因此，網(wǎng)格劃分應(yīng)當(dāng)科學(xué)合理，盡量避免尖角等不合理網(wǎng)格的出現(xiàn)；

3）對于受力較大的區(qū)域，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)提前考慮該區(qū)域的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。例如，位于掣鏈器區(qū)域結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大相應(yīng)區(qū)域的加強(qiáng)構(gòu)件的尺寸和板厚，或者改變其連接形式，使結(jié)構(gòu)布置更為合理。

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作者簡介：吳? 猛（1984- ），男，高級工程師。主要從事船舶與海洋工程設(shè)計(jì)與研究工作。

李明明（1985- ），女，工程師。主要從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2022-12-01