某沿海雙體客船系泊錨泊支撐結構設計

王軒　黃渙青

摘? ? 要：本文介紹了中國船級社《規(guī)范》對系泊錨泊設備支撐結構的設計和計算方法，并以某沿海雙體客船為實例，對該船首尾系泊錨泊設備支撐結構的設計進行闡述。基于Patran/Nastran有限元軟件，建立包含舷墻和錨機基座的船體有限元模型，對各系泊錨泊設備進行受力分析，校核其支撐結構強度。計算結果表明，該船系泊錨泊支撐結構滿足《規(guī)范》的相關強度要求，可為同類船舶系泊錨泊支撐結構設計提供參考。根據(jù)計算結果，對設計方案提出建議和注意事項。

關鍵詞：系泊錨泊;支撐結構;強度計算

中圖分類號：U663.7? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract：? This paper introduces the design and calculation method of supporting structure of mooring and anchoring equipment in the rules of China Classification Society （CCS）， and takes a coastal passenger catamaran as a design example to describe the design method of fore and aft mooring equipment supporting structure. The finite element model of hull including bulwark structure and windlass foundation is established based on Patran / Nastran software， and the force analysis and strength check are carried out for the mooring and anchoring equipment and its supporting structure. The results show that the supporting structure of the ship meets the relevant strength requirement of the CCSs rules and can provide reference for the design of mooring and anchoring supporting structure of similar ships. Some suggestions and matters needing attentions are put forward according to the calculation results.

Key words： Mooring and anchoring; Supporting structure; Strength calculation

1? ? ?前言

船舶系泊錨泊設備在工作時，會受到較大的集中載荷。為了保證作業(yè)的安全，需要根據(jù)這些設備的作業(yè)特點和基座形式，對其支撐結構進行設計，并采用直接計算方法驗證設計結果[1]。

2? ? 系泊錨泊支撐結構設計

系泊錨泊設備支撐結構設計，可參照《國內航行海船建造規(guī)范》（2018）[2] [3]（以下簡稱《規(guī)范》）3.6.3.5對拖帶船用配件支撐結構的要求進行，圖1為其結構布置方法示意圖。

建立結構的三維有限元模型，對系泊錨泊設備支撐結構構件應力進行直接計算。通常，系泊船舶用的系纜樁、導纜孔以及用于拖帶的設備的設計載荷和許用應力，參考《規(guī)范》第3章第6節(jié)的要求;錨機、摯鏈器等錨泊甲板設備的設計載荷和許用應力，參考《規(guī)范》第3章第7節(jié)的要求。設計和建模時，需注意所有構件均應增加2 mm的腐蝕厚度。

系泊設備如系纜樁、拖樁等支撐結構載荷，以系索破斷強度的1.15倍作為設計載荷;導纜孔根據(jù)系索布置計算載荷分量的合成力[4];錨泊設備如錨機載荷，主要參考《規(guī)范》3.2.5甲板上浪載荷和錨鏈破斷負荷。當不帶摯鏈器時錨機設計載荷為破斷負荷的80%，若帶有摯鏈器為45%;摯鏈器載荷為破斷負荷的80%;許用應力（板元相當應力和梁單元合成應力）不大于鋼材的屈服強度，剪切應力不大于屈服強度的60%。

3? ? 設計及強度計算分析實例

以某300客位沿海雙體客船為例，分別對首尾區(qū)域的帶纜樁、導纜孔、十字纜樁、錨機、摯鏈器支撐結構進行設計，并采用有限元方法校核其應力。該船主尺度如下：

3.1? ?支撐結構設計

3.1.1 首尾部帶纜樁支撐結構設計

本船首尾部帶纜樁選用型號為GB/T554-2008 A200-78，主甲板支撐結構用桁材沿長邊方向進行加強。首部帶纜樁系泊加強結構示意圖，如圖2所示（包含錨泊加強）。

3.1.2 首尾部舷墻導纜孔支撐結構設計

本船首尾部系泊導纜孔選用型號為GB/T36213-2018 B250x200，導纜孔周圍與舷墻開孔相焊接，并對孔緣左右和上下增加肘板進行加強。圖3為首部導纜孔加強結構示意圖（位于舷墻結構）。

3.1.3 首尾部十字纜樁支撐結構設計

本船首尾部十字纜樁選用型號為CB/T3845-2013 250，其底座為500x500的正方形，尾部沿船寬方向進行加強;位于船首的十字纜樁中心位置在片體內舷外板，并和連接橋相連接，此處若沿船寬方向加強則施工困難。考慮到本船連接橋為橫骨架式，肋距為550 mm，在保證不影響系泊與拖帶功能的前提下，可通過在十字纜樁下端增加傾斜的T型材并與連接橋橫隔板直接相連，采用直接計算法對該T型材強度進行驗證。尾部十字纜樁加強結構示意圖，如圖4所示。

3.1.4首部錨機支撐結構設計

本船電動錨絞盤和摯鏈器匹配錨鏈直徑為φ24。其中，摯鏈器選用CB/T3844-2000。通過基座將錨機（摯鏈器）和主船體相連;錨機基座應考慮螺栓位置，主甲板上應通過桁材對錨機基座進行加強;摯鏈器基座沿長邊方向布置，并在主甲板進行加強。

3.2? ?模型建立

3.2.1 有限元模型

在MSC.Patran中建立全船有限元模型，模型范圍為首尾主甲板以下的全船結構[5]。具體模型的范圍為：縱向從片體尾封板至首柱;考慮到模型的對稱性，橫向從中縱剖面至右舷，包括和片體相連的連接橋;垂向從船底基線至主甲板。其中首部區(qū)域包括了首舷墻結構、錨機底座及支撐結構，尾部區(qū)域包括了尾舷墻結構。

具體建模要求參考《規(guī)范》3.6.4.5和3.7.2.6對有限元模型要求。網(wǎng)格大小約1個肋骨間距;支撐結構周圍區(qū)域網(wǎng)格適當加密，以反映設備支撐結構的實際分布。主要板材和桁材腹板用殼單元模擬;扶強材和桁材面板用梁單元模擬。首部結構模型見圖5，尾部結構模型見圖6（圖示左舷，右舷對稱）。

3.2.2邊界條件

邊界條件以不影響中心區(qū)域的計算結果為原則。為消除剛體位移，同時遠離應力集中的影響，在船體中線和片體中心線底部施加固定約束，如圖7所示。

3.3? ?設計載荷計算

3.3.1 帶纜樁載荷

根據(jù)《規(guī)范》3.6.4.3，船用配件的船體支撐結構的最小設計負荷，應為設計者選定的系索破斷強度的1.15倍，即最小設計負荷為120.75 kN;載荷方向根據(jù)《系泊設備布置圖》確定：系泊索指向舷外，作用點位于距基座以上4/5的筒體高度，即距主甲板高度為340 mm。

設計載荷見表1;尾部帶纜樁、導纜孔、十字拖樁加載示意圖，見圖8。

3.3.2導纜孔載荷

導纜孔設計載荷方向，應考慮相應帶纜樁（或十字纜樁）的布置位置，并考慮位于舷外的系索與船體之間存在的相對位置夾角（即舷外向上為30°、向下為-90°、向左為-90°、向右為90°），因此對于導纜孔應計算四種不同工況;此外，位于船首和船尾的十字纜樁系索的最小設計負荷為201 kN。受篇幅限制，僅列出工況1對應的導纜孔載荷（舷外向左-90°）與舷內載荷的疊加，如表2所列。

3.3.3? 十字纜樁載荷

《規(guī)范》3.6.3.3規(guī)定，十字纜樁的拖帶設計載荷，應為舾裝數(shù)N對應的拖索破斷負荷201 kN;具體方向根據(jù)系泊設備布置圖確定（系泊索指向舷外）;設計負荷如表3所列，作用點距主甲板640 mm。需注意首部十字纜樁為拖帶兼系泊用，從不同的導纜孔穿出的系索方向不同，受力應予以區(qū)分。

3.3.4 錨機載荷

根據(jù)《規(guī)范》§3.2.5，甲板上浪載荷分為Px和Py：Px垂直于錨機軸線由船首向后方向;Py平行于錨機軸線分別作用于舷外和舷內，作用于錨機滾筒中心線處，距錨機基座上表面280 mm。Px為94.3 kN、Py為120.3 kN。

本船錨機配有摯鏈器，根據(jù)《規(guī)范》§3.7.2錨機設計載荷為錨鏈破斷強度的0.45倍;作用點位于錨機滾筒中心線處，作用方向為錨鏈沿摯鏈器和錨鏈孔的方向，大小為214 kN。

3.3.5摯鏈器載荷

摯鏈器支撐結構的設計載荷為0.8倍錨鏈的破斷強度，大小為381 kN;作用點位于摯鏈器滾輪中心線處，距首升高甲板715 mm;方向由錨泊設備布置圖確定。

3. 4? 計算工況

根據(jù)前述受力分析，校核纜樁和導纜孔、錨機和掣鏈器的工況組合。對于系泊與拖帶，LC1～LC4分別為導纜孔舷外四個不同方向載荷及舷內載荷、對應纜樁載荷，LC5為#74+200十字纜樁兼拖帶功能及對應導纜孔載荷。對于錨泊，LC1和LC2分別為舷外和舷內錨機甲板上浪載荷，LC3為錨機0.45倍錨鏈破斷載荷及摯鏈器0.8倍錨鏈破斷載荷。考慮到系泊與拖帶和錨泊對應位置不同，共5種計算工況。

3. 5? 許用應力與計算結果匯總

根據(jù)得到的計算結果，首部區(qū)域加強結構相當應力（LC3）見圖9，尾部區(qū)域加強結構相當應力（LC1）見圖10。對應的首尾加強結構應力水平匯總見表4。

計算結果表明，本船首部系泊錨泊支撐結構和尾部系泊支撐結構，均滿足《規(guī)范》的相關要求。

4? ? ?總結

本文根據(jù)《規(guī)范》要求，對該船首尾系泊錨泊支撐結構進行強度分析，計算結果表明滿足要求。同時，在設計過程應注意以下幾點：

（1） 應提前考慮系泊錨泊設備的布置和鋼材腐蝕量對結構的影響。在結構規(guī)范計算時，除了滿足構件自身的強度外，還應對首樓甲板、尾部甲板及支撐結構進行適當加厚;

（2） 在支撐舷墻導纜孔的肘板位置出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，在設計舷墻時應適當降低舷墻肘板間距、對舷墻頂部構件進行適當加強，以減小因受到集中載荷作用在導纜孔所引起的變形。 此外，在建造時應將支撐導纜孔的肘板與導纜孔進行全焊透，以增加受力面積;

（3） 位于錨機底座支撐結構的應力較大，在設計時應適當增大周圍的強構件的尺寸。此外，在有限元建模的過程中，應盡可能準確的模擬該區(qū)域的結構支撐。

參考文獻

[1] 崔健，陳家旺，韓強，吳永順. 全回轉拖輪首部帶纜樁甲板支撐結構強度分析[J].中外船舶科技，2012（2）：22-24.

[2] 中國船級社. 國內航行海船建造規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2018.

[3] 中國船級社. 關于執(zhí)行MSC/Circ.1175通函的通知[S].2005.

[4] 謝大建. 系泊設備下船體支撐結構的強度校核[J].船海工程，2012（3）：16-19.

[5] 吳猛，黃渙青，石科良，朱繼欣;鋼鋁混合雙體沿海客船結構設計[J].廣東造船，2019（4）： 16-19.