某半潜运输船定位桩设备加强结构有限元分析

王佳鑫

摘 要：定位桩作为一种系泊定位工具，首次应用于半潜游艇运输船上。为保证该船在遮蔽航区作业时的停泊安全性，定位桩及其设备加强结构的强度尤为重要。本文通过有限元方法，对定位桩设备的加强结构进行强度计算分析，证实本船尾部定位桩设备的加强结构在各种工况下，其屈服强度和屈曲强度都满足劳氏船级社规范要求。

关键词：半潜式游艇运输船;定位桩;屈服强度;屈曲强度;有限元分析

中图分类号：U664.8

文献标识码：A

1 前言

目前，我国定位桩主要应用于各类挖泥船[1]。本文所述船舶为半潜式游艇运输船，考虑到所运货物的特殊性，对于装卸货物时系泊定位要求比较高，因此本船设计时配置了首尾两个定位桩。为了保证作业及航行时的安全，需要对定位桩配套设备的加强结构进行强度分析与校核。

本文介绍定位桩应用于半潜游艇运输船的工作原理，以及定位柱配套设备加强结构的有限元计算方法及强度校核结果。

2 半潜式游艇运输船工作原理

本船为全球首制超尺度比的半潜式游艇运输船，总长213.7m，型宽44.6m、型深5.9m、结构吃水5.2m、下潜最大吃水13.5 m，设计航速13 kn、功率2x5 200kW、总载重量12 780 DWT，

本船具有较大的露天载货甲板，船首设有较高的上层建筑，在装卸货物过程中呈半潜状态。游艇采用滚装方式驶进驶出货舱，不需要设置吊机来吊运货物。在船体下潜时，定位桩插入海底，当船舶下潜到13.5m的吃水深度时载货甲板淹没;然后，游艇驶入载货区甲板，主船体上浮让游艇搁浅，定位桩收起;待载货甲板出水后将游艇固定好，启程运输至目的地。船舶在下潜及上浮过程中的位置固定，是由定位桩来实现的。

本船共有两个定位桩，一个布置在船首部中纵位置，另一个布置在船尾部左舷侧位置，如图1所示。

3 半潜式游艇运输船的定位桩系统功能及组成

3.1 主要功能

半潜式游艇运输船的定位桩系统，主要具备以下功能：（1）在遮蔽航区不使用锚及系泊绳索的工况下，保证停泊的安全性;（2）维系船舶在固定的位置，不允许产生横向、侧向及偏航的位移运动;（3）除系泊绳索外，为船舶提供额外的系泊能力;（4）在下放工况时，定位桩的承载力能满足以下环境载荷的要求，以确保船舶的静止状态：风力6级、水流最大速度2kn;（5）定位桩具有足够的长度及刚度，满足在最大水深达到15 m时能够插入海床。

3.2 系统组成

尾部定位桩配套设备，由电动绞车、吊钩眼板、导向滑轮以及搁置设备组成（见图2）：（1）吊钩眼板固定钢丝绳的一端，另一端由电动绞车卷筒拉紧钢丝绳，顶端通过导向滑轮传动将定位桩依靠重力下放到海底插入海床;（2）定位桩的电动绞车具有恒张力功能，绞盘上有空滚筒限位装置，以保证其在下放过程中滚筒上始终有钢丝绳;（3）考虑到钢丝绳的磨损、断丝及腐蚀等情况，定位桩绞车的钢丝绳是可以进行更换的。

船舶在航行工况下，定位桩处于收起搁置状态：（1）定位桩的收起，由电动绞车卷动钢丝绳，通过导向滑轮及吊钩眼板将定位桩升起，并放于搁置设备上，由锁紧装置将搁置设备锁紧;（2）航行工况下，定位桩的锁紧装置在最低位置有机械刹车装置，以避免定位桩滑落到比定位桩套管底部更低的位置;（3）定位桩需定期维护保养，可以由岸吊进行拆卸吊装。

无论在作业工况还是搁置工况下，定位桩设备的加强结构都需要具备足够的强度及刚度，本船需满足劳氏船级社规范对于船体结构屈服及屈曲强度的要求。

4 有限元模型

本文仅建立尾部定位桩区域的结构有限元模型（见图3），对其在各工况最大设计载荷下的结构进行静力分析，并根据劳氏船级社规范要求校核其强度。

4.1 有限元模型

在三维笛卡尔坐标系中，有限元模型的范围为：纵向从船尾到16号肋位;垂向从距基线14 200 mm到定位桩方形支柱顶（距基线32 725 mm）;横向从距中20 000 mm的内壳板到舷侧外板。

在本模型中：（1）顶平台的定位桩滑轮设备反面结构加强筋，以板单元加梁单元的形式离散;（2）距基线24 100 mm甲板以上的舷侧外板的加强筋，以板单元离散，其他次要构件都用梁单元离散;（3）甲板板、甲板下围壁板等，以板单元离散;（4）强横梁、纵桁等强构件腹板，以板单元离散，面板以梁单元离散[2]。其中，梁单元是具有轴向、扭转、雙向剪切和弯曲刚度的两节点单元，板单元是具有面内刚度和面外弯曲刚度的三节点或四节点单元。

整船计算的有限元网格大小为600 mmx600 mm;设备加强区域板单元的网格大小，取200 mmx200mm。

本模型范围内的板材，若无特殊说明，均采用高强钢;另外，为了减少应力集中，设备基座所在的甲板板要包含加厚的插入板，根据规范要求，插入板板厚最小值不得小于临接板板厚的1.5倍;加厚板与临接板采用全焊透焊接，板缝线为倒网角，对接焊厚板削斜比例为3：1;定位桩的设备，位于部分甲板结构（如：纵骨、强横梁、纵桁）上，以有效分布丁作负荷。

4.2坐标系

计算坐标系采用笛卡尔直角坐标系：原点位于尾封板、基线面和船体中心面交叉处;X轴方向为船体的纵向，向船首方向为正;Y轴方向为船体的横向，向左舷为正;Z轴方向为船体的垂向，向上为正。

4.3材料特性

本模型中板及构件的材料特性，见表1。

4.4边界条件

边界条件的确定取决于对结构受力和变形状态的判断。根据Saint-Venant原理，由于约束点距离我们最关心的部位较远，对应力分布的计算结果影响很小[3]。本文所述模型的结构以弯曲为主，依据经验，该计算采用边界条件为铰支：δx=δy= δz=0，如表3所示。

5 计算工况

5.1 工况1一定位桩下放或收起

工况1为定位桩下放或收起时，共有三处设备载荷（见图4）：（1）吊钩眼板位置钢丝绳的拉力;（2）滑轮位置钢丝绳的拉力; （3）绞车位置钢丝绳的拉力。

尾部定位桩重量为50 t，定位桩重力为500 kN。由图2的设备布置可知：吊钩眼板和导向滑轮位置的钢丝绳拉力应该分别是250 kN，但此处考虑到海底泥土的吸附力，桩体侧壁摩擦力等外力载荷，单根鋼丝绳拉力取500 kN。

根据规范规定，设计载荷取额定拉力的1.25倍，即取P =625 kN。

设计载荷通过系索施加，力的作用点如下：吊钩眼板拉力F1的作用点，距定位桩支柱封板415 mm;滑轮拉力F2的作用点，距顶平台1 055 mm;钢丝绳角度与垂向成28°;绞车拉力F3作用点距绞车平台1500mm，钢丝绳角度与水平成62°。

吊钩眼板产生的拉力及弯矩主要由方形立柱承受，方形立柱尺寸为500 mmx500 mmx15 mm;与眼板焊接的封板做局部加厚，立柱横向封板20 mm、水平封板40 mm;导向滑轮产生的压力主要由FRO尾封板承受，此处FRO尾封板板厚15 mm，布置垂直扶强材;导向滑轮所在的顶平台板厚15 mm，与导向滑轮焊接处的顶平台板，局部做50 mm的加厚嵌入板;电动绞车承受拉力，需要将绞车基座沿受力方向的反面加强结构做成强构件。

5.2 工况2-定位桩搁置

工况2为定位桩搁置时，有一个垂直向下的载荷（见图5），载荷大小由设备商提供：F42=-1550 kN，力的作用点距27 060 mm平台865 mm、距尾封板640mmo

定位桩搁置时产生的压力，主要是由FRO尾封板承受，此处FRO尾封板板厚15 mm，布置垂直扶强材;搁置装置所在的27 060 mm平台板厚15 mm，与搁置装置焊接处的平台板局部做了25 mm的加厚嵌入板。

6 强度衡准

屈服强度和屈曲强度，均按照英国劳氏船级社《钢质海船人级规范》（2019）相关准则进行校核。

根据规范要求：机械设备处甲板板及甲板下加强结构的许用相当应力为85%材料的最小屈服点;许用剪切应力为47%材料的最小屈服点[4]。

材料屈服极限：A级钢σy=235 N/mm2; AH36高强钢σy=355 N/mm2。因此，本模型许用应力标准如下：

7 结构强度校核结果

7.1 屈服强度校核

板及构件的应力应不超过相关的许用应力衡准：本模型计算的板单元、梁/杆单元最大合成应力，见表4。

7.2 屈曲强度校核

本模型应对所有主要构件进行平板屈曲强度评估，屈曲评估中临界屈曲应力应考虑适当的标准减薄厚度，本模型减薄厚度1 mm。在平板屈曲计算中，应考虑双向轴向压应力和剪应力，一般情况下以板内的中面应力来进行屈曲应力检查;板格的屈曲安全因子λ应不小于相关的屈曲安全因子，屈曲安全因子λ>1，满足规范要求。

本船的屈曲校核是由劳氏船级社的shipright计算软件来完成后处理的，后处理中的系数为1/λ<1，满足规范要求。

8 结论

由以上计算结果可知，通过对定位桩配套设备加强结构的有限元强度分析，表明在对应工况载荷作用下，该设备加强结构满足劳氏船级社的相关强度要求。本文可类似的设备加强结构提供设计参考。

参考文献

[1]苗得雨.绞吸式挖泥船定位桩系统受力分析[D].天津：天津大学，2008.

[2]徐海波，宋群星.工程船箱型定位桩有限元计算与结构优化[J].船舶物资与市场，2020，（2）：11-12.

[3]中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册结构分册[M].北京：国防工业出版社2013.

[4] Lloyd's ReOster. Rules and Regulations for the Classifiration of ships July[M].2019.