船用系泊設備結構加強形式改進

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。在系泊設備區域均采用細化網格，單元大小控制在175 mm×175 mm。按照規范要求，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

根據規范要求，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。根據規范要求，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，根據船級社建議的許用應力系數，細化網格區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。

2.6 計算結果

通常，系泊設備是按照船舶設計規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。經重量統計，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，現采用區域板架結構加強設計，既不破壞結構的連續性，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、后的對比發現，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。

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格Φ88 mm×200 m(破斷載荷為975 kN)設定。經查舾裝數計算書，此工程船舾裝數=5 888，按照規范要求，系船索最小破斷載荷取706 kN即可。在當前船舶設計中，選用與舾裝數對應的系索破斷載荷更為合理。因為實際選用的系索規格通常要高于舾裝數要求對應的系索規格，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點。而此工程船所選用的帶纜樁均設置了擋板，按照規范要求，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，右側為導纜孔內側拉力，左側為導纜孔外側拉力，故導纜孔在甲板水平面內和方向上所受載荷如下。

=cos-cos

(1)

=sin-sin

(2)

式中：內側角度由于帶纜原因不會發生變化，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，經篩選后的受載工況見表3，與表1相比，有限元計算工況數量減少了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、規格或材質，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

經統計，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，可節約不少鋼材用量，具有一定的經濟效益。

6 結論

1)系泊設備下方支撐結構的布置可優先采取對位加強形式。但對于斜向布置的設備，采用區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，確保結構的連續性。在局部應力較大的區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對應的系索破斷載荷作為船體支撐結構的最小設計負載。