凹形拖桩的设计计算

刘 庆，刘 健，顾永新，王晓彬

（大连船舶重工集团设计研究有限公司，辽宁大连 116005）

凹形拖桩的设计计算

刘 庆，刘 健，顾永新，王晓彬

（大连船舶重工集团设计研究有限公司，辽宁大连 116005）

在集装箱船上一般都用到凹形拖桩，凹形拖桩在集装箱船的系泊过程中起关键作用。新的凹形拖桩国际标准ISO13799-2012，对凹形拖桩有了明确的规定。凹型拖桩的安全工作负荷是如何计算出来的是广大设计者一直关心的问题。本文详细地介绍凹型拖桩的安全工作负荷的计算方法。

凹行拖桩；计算工作负荷；弯曲应力

0 引言

在集装箱航运业，丹麦的马士基是行业的龙头老大。它引领整个集装箱航运的发展。由于受到2008年金融危机的影响，整个航运业普遍不景气。世界的目光集中在马士基，看它是如何应对危机。在金融危机期间，马士基率先在韩国订造十艘万箱集装箱船。吹响了整个行业订造大型集装箱船的号角。世界各国船东为了应对金融危机，效仿马士基公司，竞相订造大型集装箱船。原来适应小吨位集装箱船的舾装件已经不能满足现在的要求，必须选用新的更大吨位的凹形拖桩。国际标准化组织ISO，这时候也顺应市场发展的趋势，在2012年推出了凹形拖桩标准ISO13799-2012。在集装箱船上一般都用到凹形拖桩，它焊接在船体的外板上。在集装箱船的系泊过程中，拖轮的拖拽绳直接套在凹形拖桩上，承受着巨大的载荷。所以，一般船东和船检都要求凹形拖桩的设计计算书。由于ISO是在今年才推出有关凹形拖桩的国际标准，希望本文能给相关单位在写凹形拖桩的设计计算书一定的借鉴。另外，我国船厂如果想在未来制定相关标准中有话语权，也需要了解相关的计算方法。否则，只能跟在别人的后面走。下面详细给出了凹形拖桩的设计计算。

1 凹形拖桩设计计算

根据ISO13799-2012第5页A.2 Loading中的A.2.2条款，对凹形拖桩有三种受力形式。针对安全工作负荷是75吨的凹形拖桩[1]，选用ZG200-400的铸钢材料，进行分析计算。

1.1 第一种情况的受力形式

拖轮的拖拽绳和拖桩距离海面是相同的高度[2]（见图1）。

图1 凹形拖桩的第一种受力情况

1.1.1 剪应力计算

1）受剪力面积S计算

图2 承受剪力面积

1.1.2 弯曲应力的计算:

1）截面抗弯模量的计算

根据图2所示，抗弯模量W=100×1662/6=459267mm3

2）弯曲应力计算

1.1.3 复合应力的计算

根据计算结果，凹形拖桩所受的复合应力是105MPa。凹型拖桩选用ZG200-400的铸钢。这种铸钢的σs=200MPa。

根据[σ]=0.85×200=170MPa，σ合<[σ]=170MPa。材料的许用应力[σ]=170MPa，大于复合应力105MPa。所以，材料合格。

1.2 第二种受力情况的分析计算:

图3 凹形拖桩的第二种受力情况

如图3所示,拖轮的拖拽绳与水平方向夹角是负16度，凹形拖桩的高度大于拖轮，这种情况表示集装箱船在近似空载工况下。第二种情况下的受力分析计算如下。

1.2.1 受剪力面积计算：

承受剪力的面积S和第一种情况一样。如图2所示，承受剪力的面积为：

S=32584 mm2

1.2.2 剪应力τ的计算

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

剪应力小于第一种受力情况。

弯曲应力σ=2×P×sin（16）×L/W

其中，P、L、W都和第一种受力情况一样。

因此，弯曲应力小于第一种受力情况一样。由于剪应力和弯曲应力都小于第一种受力情况。在第二种受力情况下，凹型拖桩的复合应力小于第一种情况，所以第一种情况合格，第二种情况一定合格。

1.3 第三种受力情况的分析计算

图4 凹形拖桩的第三种受力情况

如图4所示，拖轮的拖拽绳与水平方向夹角是30度，凹形拖桩的高度小于拖轮，这种情况表示集装箱船在近似满载工况下[3]。

第三种情况下的受力分析计算如下。

1.3.1 剪应力计算

1）受剪力面积计算：

如图2所示，S=32584 mm2

2）剪应力τ的计算

1.3.2 弯曲应力计算

1.3.3 复合应力

根据计算结果，凹形拖桩所受的复合应力是111MPa。凹型拖桩选用ZG200-400的铸钢，这种铸钢的σs=200MPa。根据[σ]=0.85×200=170MPa，σ合<[σ]=170MPa。材料的许用应力[σ]=170MPa，大于复合应力111MPa。所以，材料合格[4]。

2 总结

以上计算是针对凹行拖桩的详细设计计算。ISO对凹型拖桩给出三种受力情况。实际上，也给出了凹型拖桩的使用限制。舾装设计人员在选用标准时，应严格遵守相关规定，不能超标选用。以上设计计算所用材料，没有考虑材料、含硫量和含磷量。各船级社对含硫、磷量有不同的规定，设计者根据船舶入不同船级社，具体确定。

[1] 中国船舶工业总公司编写. 船舶设计实用手册(舾装分册)[S]. 国防工业出版社, 1997.

[2] ISO 13799-2012 The Ship’s Mooring and Towing Fitting - the Recessed Bitts [S]. 国际标准.

[3] 中国船舶工业总公司编写. 船舶设计实用手册(舾装分册)[S]. 国防工业出版社, 1997.

[4] 成大先主编. 机械设计手册[M]. 化学工业出版社, 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

刘庆（1969-），男，高级工程师，研究方向：船舶舾装设计。