22 m组合式拖船拖桩及连接装置强度计算

赵铁军，陈斌波，曹仁丹

(江苏现代造船技术有限公司，江苏 镇江 212003)

0 引言

根据工程需求，有些船需要较长距离运输或者在航道无法通航的水域进行使用，这就导致了组合式船舶的产生。组合式船舶的特点就是采用可拆卸的连接装置代替传统的焊接形式。目前市场上出现的组合式船舶一般是趸船或者工程船。

组装式船舶的强度计算难点在于连接装置的强度计算。《钢质内河船舶建造规范》(2016)(简称《规范》)中仅给出了设有主浮箱和在其两侧对称布置的边浮箱组成的船舶的连接装置强度计算公式，而对超规范的连接形式，《规范》并没有提供连接装置的设计依据，因此如何合理的设计及校核连接装置强度是组合式船舶设计的一个重要问题。22 m组合式拖船是将拖桩设置在2个浮箱之间，采用法兰与2个浮箱进行连接，因此拖桩处的连接强度校核也是本船设计的关键。本文采用有限元计算分析，对组合式拖船直接计算中模型的简化处理及计算载荷的确定等内容进行研究，得到其拖桩及连接装置强度计算的合理可行的计算方法。

1 船舶概况

22 m组合式拖船为作业于内河A级航区的组合式拖船，主要用于组合式起重船的拖曳工作。本船由左右2个浮箱组成，中后部设置2个机舱，采用双机、双桨、双舵的推进方式。浮箱及组合船的主要参数见表1。22 m组合式拖船总布置情况见图1。

表1 浮箱及组合船的主要尺度m

项目名称船长船宽型深吃水浮箱左22.004.002.751.50浮箱右22.004.002.751.50组合船22.008.102.751.50

2 连接装置

本船左、右浮箱采用2个连接器进行连接。连接器的上端采用螺栓组连接，下端采用销轴连接。每个螺栓组由6个M48 mm×200 mm (GB/T 1228—2008)高强度螺栓组成。连接器示意图见图2。

拖桩与左、右浮箱采用法兰连接。法兰盘厚度均为30 mm，法兰盘之间通过16个螺栓进行连接；螺栓选用M30 mm×160 mm (GB/T 1228—2008)高强度螺栓；拖桩所在肋位的浮箱下端采用销轴连接。拖桩侧视和剖视图分别见图3和图4。

3 有限元计算

本文采用MSC.Patran/Nastran软件进行建模计算。由于上层建筑部分对船体结构强度影响较小，本船模型的范围：包括左右浮箱、浮箱间螺栓连接、销轴连接及拖桩法兰连接等。有限元模型的单元类型为：主要构件腹板采用板单元模拟，主要构件面板及其他骨材采用梁单元模拟[1]。销轴和螺栓采用梁单元Beam模拟。全船有限元模型见图5。

3.1 连接装置及拖桩简化方法

3.1.1 连接装置螺栓组的简化

建模时，将基座简化为对应2个MPC-RBE2(多点约束)，螺栓采用梁单元Beam模拟，其能承受拉伸、剪切、扭转，通过参数设置，使梁单元与螺栓几何属性一致。螺栓组简化模型见图6，销轴简化模型见图7。

图1 22 m组合式拖船总布置图

3.1.2 拖桩及法兰盘的简化

拖桩采用梁单元Beam模拟，拖桩下端部与法兰盘采用MPC关联。法兰盘采用板单元模拟，两块法兰之间由很多螺栓连接，固定螺栓的结合件之间不能相互活动，可以将两块法兰简化为刚性连接。模型见图8。

3.2 边界条件

在船首节点施加纵向、横向、垂向线位移约束,即ux=uy=uz=0；艉封板右舷节点施加垂向线位移约束，即uz=0；艉封板左舷节点施加横向、垂向线位移约束，即uy=uz=0。边界条件见图9。

3.3 工况及载荷施加

3.3.1 计算工况

本船工况的选取主要根据作业时实际拖缆角度不同受力的情况，分为以下8种工况，见表2。

图2 连接器示意图

图3 拖桩侧视图

图4 拖桩剖视图

图5 全船有限元模型

图6 螺栓组模型简化

图7 销轴模型简化

图8 拖桩模型简化

图9 边界条件图

表2 计算工况

3.3.2 载荷施加

(1)舷外水压：根据计算工况处于平衡状态时的设计波波面(包括中拱波面和中垂波面)，按压力分布施加到模型的湿表面各单元上。设计波等效为余弦波，波长等于船长，波高按照规范计算，即：

he=αMKCwKw(Cb+0.7)

12 650.6)×10-4

式中：he为波高，m;Cw为满载水线面系数，Cw=0.979；L为船长，L=22 m；B为船宽，B=8.1 m；D为型深，D=2.75 m；αM为航区修正系数，αM=1。

经计算,he=1.57 m。

根据稳性计算书，艏吃水为0.929 m，艉吃水为2.068 m，则各工况的波面函数见表3。

(2)货物载荷：压载水重量使用压力场施加到舱室相应单元上。拖力施在拖桩顶端，拖力与基线夹角为30°，由船尾正后方按30°旋转至左舷方向进行施加，拖力F大小参照《钢质内河船舶建造规范》进行计算，即

式中：LS为被拖船水线长，LS=45.35 m；B1为被拖船船宽，B1=22.06 m；d为被拖船满载吃水，d=1.2 m；V为拖带航速，V=3.5 m/s。

经计算，F=100 kN。

(3)结构重量：结构重量根据稳性计算书中的空船重量数据分布，以重力g的形式施加到模型上。

表3 各工况波面函数

3.4 计算结果及分析

3.4.1 计算结果

经过计算，拖力在不同的角度情况下，横向时的拖桩应力最大。全船最大应力出现在LC04工况，其计算结果见表4，计算应力云图见图10。

表4 LC04工况计算应力结果

图10 LC04工况计算应力云图

3.4.2 计算分析

拖桩法兰螺栓的强度校核通过两种计算方法对比：一是根据《最新钢结构实用设计手册》中的理论计算校核拖桩处的法兰螺栓组强度；二是通过有限元计算直接读取简化法兰模型处的剪切应力，根据法兰的面积求出法兰处受到的剪力，然后直接计算出螺栓的应力。

(1)理论计算：作用在拖桩的拖力为F=100 kN，法兰盘上的总剪切力为F1由16个螺栓共同分担。因此，单个螺栓的剪切应力为

式中：F1为法兰盘上的总剪切力，F1=Fcos 30°=86.6 kN；n为螺栓个数，n=16;A为单个螺栓截面积，A=706 mm2。

经计算，[τ1]=7.7 MPa,小于许用应力值250 MPa。

(2)有限元计算：单剖面法兰承受的最大剪力出现在LC04工况下，最大剪力F2由16个螺栓共同分担。因此，单个螺栓的剪切应力为

式中：F2为最大剪力，F2=162.9 kN。

经计算，[τ2]=14.4 MPa,小于许用应力值250 MPa。

经过计算，理论计算的拖桩法兰螺栓的最大应力为7.6 MPa，有限元简化模型直接计算的拖桩法兰螺栓的最大应力为14.4 MPa。根据结果可得，两种计算方法的结果相近，模型简化合理。

4 结语

从上述计算及分析可以看出，对组合式拖船的连接装置及拖桩进行模型简化，计算结果与理论分析结果一致。通过模型简化可以大大提高建模效率，快速校核组合式结构物的强度。本模型简化方法对比较复杂的组合连接形式的强度计算提供了有益参考。