凹形拖樁的設(shè)計(jì)計(jì)算

劉 慶，劉 健，顧永新，王曉彬

（大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究有限公司，遼寧大連 116005）

凹形拖樁的設(shè)計(jì)計(jì)算

劉 慶，劉 健，顧永新，王曉彬

（大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究有限公司，遼寧大連 116005）

在集裝箱船上一般都用到凹形拖樁，凹形拖樁在集裝箱船的系泊過(guò)程中起關(guān)鍵作用。新的凹形拖樁國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO13799-2012，對(duì)凹形拖樁有了明確的規(guī)定。凹型拖樁的安全工作負(fù)荷是如何計(jì)算出來(lái)的是廣大設(shè)計(jì)者一直關(guān)心的問(wèn)題。本文詳細(xì)地介紹凹型拖樁的安全工作負(fù)荷的計(jì)算方法。

凹行拖樁；計(jì)算工作負(fù)荷；彎曲應(yīng)力

0 引言

在集裝箱航運(yùn)業(yè)，丹麥的馬士基是行業(yè)的龍頭老大。它引領(lǐng)整個(gè)集裝箱航運(yùn)的發(fā)展。由于受到2008年金融危機(jī)的影響，整個(gè)航運(yùn)業(yè)普遍不景氣。世界的目光集中在馬士基，看它是如何應(yīng)對(duì)危機(jī)。在金融危機(jī)期間，馬士基率先在韓國(guó)訂造十艘萬(wàn)箱集裝箱船。吹響了整個(gè)行業(yè)訂造大型集裝箱船的號(hào)角。世界各國(guó)船東為了應(yīng)對(duì)金融危機(jī)，效仿馬士基公司，競(jìng)相訂造大型集裝箱船。原來(lái)適應(yīng)小噸位集裝箱船的舾裝件已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)在的要求，必須選用新的更大噸位的凹形拖樁。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO，這時(shí)候也順應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，在2012年推出了凹形拖樁標(biāo)準(zhǔn)ISO13799-2012。在集裝箱船上一般都用到凹形拖樁，它焊接在船體的外板上。在集裝箱船的系泊過(guò)程中，拖輪的拖拽繩直接套在凹形拖樁上，承受著巨大的載荷。所以，一般船東和船檢都要求凹形拖樁的設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)。由于ISO是在今年才推出有關(guān)凹形拖樁的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，希望本文能給相關(guān)單位在寫(xiě)凹形拖樁的設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)一定的借鑒。另外，我國(guó)船廠如果想在未來(lái)制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有話(huà)語(yǔ)權(quán)，也需要了解相關(guān)的計(jì)算方法。否則，只能跟在別人的后面走。下面詳細(xì)給出了凹形拖樁的設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 凹形拖樁設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)ISO13799-2012第5頁(yè)A.2 Loading中的A.2.2條款，對(duì)凹形拖樁有三種受力形式。針對(duì)安全工作負(fù)荷是75噸的凹形拖樁[1]，選用ZG200-400的鑄鋼材料，進(jìn)行分析計(jì)算。

1.1 第一種情況的受力形式

拖輪的拖拽繩和拖樁距離海面是相同的高度[2]（見(jiàn)圖1）。

圖1 凹形拖樁的第一種受力情況

1.1.1 剪應(yīng)力計(jì)算

1）受剪力面積S計(jì)算

圖2 承受剪力面積

1.1.2 彎曲應(yīng)力的計(jì)算:

1）截面抗彎模量的計(jì)算

根據(jù)圖2所示，抗彎模量W=100×1662/6=459267mm3

2）彎曲應(yīng)力計(jì)算

1.1.3 復(fù)合應(yīng)力的計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，凹形拖樁所受的復(fù)合應(yīng)力是105MPa。凹型拖樁選用ZG200-400的鑄鋼。這種鑄鋼的σs=200MPa。

根據(jù)[σ]=0.85×200=170MPa，σ合<[σ]=170MPa。材料的許用應(yīng)力[σ]=170MPa，大于復(fù)合應(yīng)力105MPa。所以，材料合格。

1.2 第二種受力情況的分析計(jì)算:

圖3 凹形拖樁的第二種受力情況

如圖3所示,拖輪的拖拽繩與水平方向夾角是負(fù)16度，凹形拖樁的高度大于拖輪，這種情況表示集裝箱船在近似空載工況下。第二種情況下的受力分析計(jì)算如下。

1.2.1 受剪力面積計(jì)算：

承受剪力的面積S和第一種情況一樣。如圖2所示，承受剪力的面積為：

S=32584 mm2

1.2.2 剪應(yīng)力τ的計(jì)算

τ=2×P×COS16/S=2×750×1000×COS16/32584= 44N/mm2

剪應(yīng)力小于第一種受力情況。

彎曲應(yīng)力σ=2×P×sin（16）×L/W

其中，P、L、W都和第一種受力情況一樣。

因此，彎曲應(yīng)力小于第一種受力情況一樣。由于剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力都小于第一種受力情況。在第二種受力情況下，凹型拖樁的復(fù)合應(yīng)力小于第一種情況，所以第一種情況合格，第二種情況一定合格。

1.3 第三種受力情況的分析計(jì)算

圖4 凹形拖樁的第三種受力情況

如圖4所示，拖輪的拖拽繩與水平方向夾角是30度，凹形拖樁的高度小于拖輪，這種情況表示集裝箱船在近似滿(mǎn)載工況下[3]。

第三種情況下的受力分析計(jì)算如下。

1.3.1 剪應(yīng)力計(jì)算

1）受剪力面積計(jì)算：

如圖2所示，S=32584 mm2

2）剪應(yīng)力τ的計(jì)算

1.3.2 彎曲應(yīng)力計(jì)算

1.3.3 復(fù)合應(yīng)力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，凹形拖樁所受的復(fù)合應(yīng)力是111MPa。凹型拖樁選用ZG200-400的鑄鋼，這種鑄鋼的σs=200MPa。根據(jù)[σ]=0.85×200=170MPa，σ合<[σ]=170MPa。材料的許用應(yīng)力[σ]=170MPa，大于復(fù)合應(yīng)力111MPa。所以，材料合格[4]。

2 總結(jié)

以上計(jì)算是針對(duì)凹行拖樁的詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算。ISO對(duì)凹型拖樁給出三種受力情況。實(shí)際上，也給出了凹型拖樁的使用限制。舾裝設(shè)計(jì)人員在選用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)定，不能超標(biāo)選用。以上設(shè)計(jì)計(jì)算所用材料，沒(méi)有考慮材料、含硫量和含磷量。各船級(jí)社對(duì)含硫、磷量有不同的規(guī)定，設(shè)計(jì)者根據(jù)船舶入不同船級(jí)社，具體確定。

[1] 中國(guó)船舶工業(yè)總公司編寫(xiě). 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)(舾裝分冊(cè))[S]. 國(guó)防工業(yè)出版社, 1997.

[2] ISO 13799-2012 The Ship’s Mooring and Towing Fitting - the Recessed Bitts [S]. 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn).

[3] 中國(guó)船舶工業(yè)總公司編寫(xiě). 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)(舾裝分冊(cè))[S]. 國(guó)防工業(yè)出版社, 1997.

[4] 成大先主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2008.

Design and Calculation of Recessed Bitts

Liu Qing, Liu Jian, Gu Yong-xin, Wang Xiao-bin
(Dalian Shipbuilding Industry Engineering and Research Institute Co., Ltd., Liaoning Dalian 116005, China)

Generally the recessed bitts are used on containers. The recessed bitts play a critical role in the mooring and towing fittings on containers. The new international standard for recessed bitts is ISO13799-2012 which includes definite rules for the recessed bitts. The designers concern on how to calculate the safe working load for the recessed bitts. The paper introduces the calculation of the safe working load for recessed bitts in detail.

recessed bitts; safe working load; bend stress

U674.13+1

A

10.14141/j.31-1981.2015.03.013

劉慶（1969-），男，高級(jí)工程師，研究方向：船舶舾裝設(shè)計(jì)。