64900DWT原油船系泊绞车船体支撑结构强度计算

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

系泊绞车是绞车的一种。系泊绞车是在船舶泊船或泊船靠岸停船时同样能有效运行，并且具有众多功能如在装载和卸载过程中起到漂移、支持和定位的作用，同时以恒定的张力调整补偿振动产生的偏差[1,2]。岸上安装用于泊船装载或卸载的系泊绞车就是恒定张力调整特征的应用实例[3]。

参照国际船级社协会颁布的关于油船和散货船的共同结构规范 (Common Structural Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers，CSR)[4]2015版的要求，对系泊绞车基座及其支撑结构进行局部强度分析，文章讲述了有限元模型的建立规则、网格尺寸的大小、边界条件的选取、计算工况、应力衡准、计算结果展示，根据分析结果提出设计时的注意事项。

该船总长200m，型宽32.26m，型深20.6m，无限航区。该船设12个货油舱，2个污油舱，航速14.2节，续航力可达10000海里，达到船舶能效设计指数(EEDI)第二阶段，总体性能优良，各项技术指标优秀，安全，环保。

1 有限元模型的建立

1.1 模型范围及单元类型

本有限元模型根据结构图纸，采用MSC.Patran软件建模，Nastran求解，系泊绞车基座及下加强结构作为研究对象，从艏到艉部依次编号为M1,M2,M3,M4,M5,M6,M7。布置图见图1。

图1 全船系泊绞车布置

在有限元模型中，系泊绞车M1纵向范围由FR95至船首，横向范围为整个船宽，垂向范围为13190平台至基座面板。系泊绞车M2纵向范围为FR92～FR95，横向范围为船中至DL15。系泊绞车M3，M4的结构布置和载荷情况与M2十分相似，由于大范围使用了高强度钢，应力水平相对较低，故不予重复计算。系泊绞车M5，M6，M7的纵向范围由船尾至FR12，横向范围为整个船宽，垂向范围为上甲板至A平台。

有限元模型包括了基座下的所有结构构件，绞车基座、主甲板、舱壁板以及横梁、纵骨、纵桁及强横梁的腹板采用壳体单元模拟。根据CSR，校核绞车基座及其下加强结构时采用建造尺寸模拟。图2～图4所示为绞车基座有限元模型示意图。

图2 绞车基座M1有限元模型

图3 绞车基座M2有限元模型

图4 绞车基座M5，M6，M7有限元模型

1.2 边界条件

由于建模的时候所要校核的区域离边界一般认为是足够远的，如果边界距离分析的位置为1个强框间距即可认为边界条件对分析的位置无影响。实际上，此时边界条件对计算的结果是没有影响的，但是一般仍然按照规范规定的边界条件来实施。即限制所分析模型边界节点在X,Y,Z三个方向的位移，边界节点绕X轴,Y轴,Z轴的转角不作任何约束，相当于模型的边界条件为简支。

2 载荷及工况

2.1 绞车甲板上浪载荷

参照CSR规范中的要求，需要计算上浪工况的绞车仅限于布置在船首0.25L范围内，其他地方的系泊绞车不需要计算甲板上浪载荷，作用在绞车上的压力和计算面积可按下述计算，具体过程参见CSR规范，如图5所示：

图5 作用载荷方向示意图

图6 螺栓组布置及编号

因此其相对中心坐标(X0,Y0)的坐标(Xi,Yi)参见表1。

表1 螺栓布置参数计算

当绞车在左舷上浪时，即作用力Px为左舷指向右舷方向时，可得到螺栓组的轴向力和水平剪切力，根据规范计算得到的结果见表2。

当绞车在右舷上浪时，即作用力为右舷指向左舷方向时，可得到螺栓组的轴向力和水平剪切力，根据规范计算得到的结果见表3。

表2 螺栓轴向力和水平剪切力(左舷上浪)

表3 螺栓轴向力和水平剪切力(右舷上浪)

2.2 作用于绞车的系索破断强度载荷

系泊绞车系索规范计算的破断力为647 kN, 125%，系索破断力为808.75 kN。模型实际加载情况参见图7。

图7 作用于绞车的125%系索破断强度载荷

2.3 作用于绞车的制动载荷

系泊绞车系索的破断力为572 kN，破断力平均分配到4个螺栓受力点上。模型实际加载情况参见图8。

图8 作用于绞车的100%绞车制动载荷

3 强度评估

3.1 应力衡准

按照CSR要求，作用于绞车支撑结构上，基于系泊作业设计载荷以及上浪设计载荷作用下加强结构应力水平，根据总厚度计算，应不大于以下许用应力：

正应力：[σ]=1.00σyd

剪应力：[σ]=0.58σyd

绞车支撑结构使用了A级普通钢，其屈服极限σyd=235 N/mm2，正应力与剪切应力的许用值分别为235 N/mm2和136 N/mm2；另外货舱区域还使用了A级高强度钢，其屈服极限σyd=315 N/mm2，正应力与剪切应力的许用值分别为315 N/mm2和182 N/mm2。

3.2 计算结果

计算所得各工况下最大合成应力与许用合成应力的比较如表4所示。限于篇幅的原因，只展示M1绞车在甲板上浪、125%系索破断和制动工况下结构的正应力云图、剪应力云图以及杆单元最大轴向应力云图，见图9～17。

表4 各工况应力计算结果汇总

如表4所示，系泊绞车基座甲板下加强结构计算所得的应力值均小于规范许用值，系泊绞车基座甲板下加强结构强度满足规范要求。

图9 系泊绞车M1甲板上浪工况下系泊绞车基座下加强结构正应力分布

图10 系泊绞车M1甲板上浪工况下系泊绞车基座下加强结构剪应力分布

图11 系泊绞车M1甲板上浪工况下系泊绞车基座下加强结构杆单元正应力分布

图12 系泊绞车M1系泊索破断工况下系泊绞车基座下加强结构正应力分布

图13 系泊绞车M1系泊索破断工况下系泊绞车基座下加强结构剪应力分布

图14 系泊绞车M1系泊索破断工况下系泊绞车基座下加强结构杆单元正应力分布

图15 系泊绞车M1制动工况下系泊绞车基座下加强结构正应力分布

图16 系泊绞车M1制动工况下系泊绞车基座下加强结构剪应力分布

图17 系泊绞车M1制动工况下系泊绞车基座下加强结构杆单元正应力分布

4 结 语

对于M1绞车，其下加强板单元正应力的决定工况为上浪工况，由于其距离船首最近，所以上浪载荷最大，这也与实际情况相符合。M2绞车下加强板单元正应力的决定工况为制动工况，但其甲板上浪工况应力也不小，其原因是M2绞车距离船首稍远。M3、M4和M5绞车下加强板单元正应力的决定工况为制动工况。因此，对于距离船首0.25L范围内的绞车其上浪载荷很大，设计时需要注意。其他区域的绞车决定工况一般为制动工况。通过对64900载重吨原油船系泊绞车基座下船体支撑结构强度的进行有限元计算分析，证明其强度满足CSR相关规范要求。文中计算方法和分析结论可为同类船舶系泊绞车及船体支撑结构的设计提供参考。