船用系泊设备结构加强形式改进

朱荣荣,周骏

(上海振华重工(集团)股份有限公司 海上重工设计研究院,上海 200125)

作为船舶固定的重要设备，尤其在恶劣气象条件下，船用系泊设备所遇到的冲击载荷会非常大，为避免船体受损，非常有必要对系泊设备的船体支撑结构进行强度分析，确保系泊设备下的结构加强设计安全可靠。而系泊设备下支撑结构设计方案的优劣，除了考虑系泊设备下支撑结构的安全性，还应充分考虑结构加强设计的可操作性和经济性。并且，不同的加强设计方案，会直接影响到船舶的建造成本。为此，采用大型结构分析软件MSC.PATRAN/NASTRAN，对某型深水铺管船艉部系泊设备下的加强结构进行有限元分析，在满足规范强度要求的前提下，对加强结构的设计形式进行改进，对比分析不同加强设计形式的效果，以期为船舶设计人员在设计系泊设备加强方案时提供参考。

1 系泊布置及其加强方案

1.1 艉部系泊设备布置

本船干舷甲板艉部共布置了6个四滚柱导缆器，6个巴拿马运河导缆孔(嵌入式)，8个带缆桩，6个羊角单滚轮导缆器，对称布置于干舷甲板左右舷。以左舷系泊设备为研究对象，具体布置见图1。

图1 系泊设备布置示意

1.2 系泊设备加强设计

系泊设备由于所受载荷比较大，必须布置在甲板强构件上，以便有效地传递系泊载荷，因此对系泊设备下结构加强首先考虑对位加强方式。以带缆桩为例，加强方案见图2。加强构件的尺寸主要有L1-700×14AH36+250×20AH36、L1-700×14+250×20等，材质为普通钢和AH36高强钢。巴拿马导缆孔附近加强主要采用20AH36高强度钢。

图2 带缆桩加强结构示意

2 有限元分析

2.1 有限元模型

考虑到结构的对称性，仅对左舷支撑结构建立有限元模型进行分析。船体的各类板结构、强横梁、纵桁、肋骨等的腹板以及舱壁均采用shell板壳单元模拟。次要构件及主要构件的面板和加强筋采用beam梁单元模拟，并考虑偏心。在系泊设备区域均采用细化网格，单元大小控制在175 mm×175 mm。按照规范要求，模型所有构件的板厚扣除腐蚀余量2 mm。

模型采用右手笛卡尔坐标系作为总体坐标系，并采用N、mm、t、MPa的单位制。模型范围取：FR0～FR6；：距中14 700 mm～外板；：9700ABL～16800ABL。边界范围的选取以不影响中心区域的计算结果为原则，见图3。在模型边界处施加、、3个方向的线位移约束。

图3 艉部结构有限元模型

2.2 系泊载荷作用点及方向

根据规范要求，船用配件上系索载荷的作用点应是系索的附着点或系索方向变化处。对于带缆桩，系泊索的连接点应位于基座以上至少4/5的筒体高度，如图4a)所示。如果筒体上安装了挡板以保证系泊索尽可能低，则系泊索的作用点可取为挡板的高度，如图4b)所示。羊角单滚轮导缆器的系索载荷作用点取底座高度，载荷方向按照系泊布置图出绳布置为准。四滚柱导缆器和巴拿马导缆孔相似，其内侧系索垂向角度最大为15°，外侧系索水平角度为±90°，垂向角度为向上30°，向下60°。

图4 带缆桩受力示意图[1]

2.3 系泊工况设计载荷

导缆孔和带缆桩的安全工作载荷通常按以下2种方法确定。

1)与舾装数要求对应的系索破断载荷。

2)实际选用系索的最小破断载荷。

改进前，系泊设备的安全工作载荷按照第2种方法选定。根据规范要求，取系索破断强度(975 kN)的1.15倍作为船体支撑结构的最小设计负荷。当系泊索在系泊设备处转向，作用在设备上的设计载荷应为系泊索设计载荷的合力，但不需超过2倍的系泊索设计负荷。

2.4 典型工况

由于导缆孔和导缆器的导向作用，带缆桩所承受载荷的方向只能沿缆绳的方向(指向导缆孔)，加载方式见图4。导缆孔和导缆器在缆绳的作用下，除受到沿缆绳方向(指向带缆桩)的载荷外，还受到沿出绳方向的载荷作用。以艉侧四滚柱导缆器为例，结合可能的出绳方向，主要载荷工况设定见表1。羊角单滚轮导缆器按照系泊设备布置图上的出绳方向进行加载。

表1 艉侧四滚柱导缆器典型工况 (°)

2.5 许用应力衡准

模型选用von Mises合成应力作为校核衡准，根据船级社建议的许用应力系数，细化网格区域单元的许用应力如下。

平均等效应力许用值[]=1.0×；

单个单元等效应力许用值[]=1.2×；

自由边界单元等效应力许用值[]=1.5×；

其中：为材料的最小屈服强度；为材料系数。

2.6 计算结果

通常，系泊设备是按照船舶设计规范要求选取的标准件，是完全能够满足结构强度要求的，故只需分析系泊设备支撑结构的强度即可。

在有限元计算过程中，对于应力水平超过235 MPa的单元，可以加大厚度，抑或将材质改为高强度钢。所有工况下的板单元和梁单元的应力峰值见表2，单元应力最大值为297 MPa，小于应力许用值355 MPa，即带缆桩、导缆器、导缆孔相关的加强结构强度均满足许用应力的要求。经重量统计，艉部左舷所布置的系泊设备加强构件共计约7.485 t。

表2 有限元模型单元应力峰值 MPa

3 结构加强改进

按照加强应尽量不破坏原有结构布置的原则，对结构加强形式进行改进，特别是带缆桩下方的结构加强。由于艉部带缆桩均为斜向布置，改进前采用对位加强的形式，导致承受总纵弯矩的甲板纵向构件间断。为保持甲板结构布置形式不变，现采用区域板架结构加强设计，既不破坏结构的连续性，又可以满足强度要求。

同样以带缆桩为例，改进方案见图5，取消原底座两侧的L1-700×14AH36+250×20AH36加强布置，将带缆桩所在位置处甲板纵骨改为T-500×12AH36+150×14AH36，并在带缆桩立柱下方增加横向肘板的加强布置。另外，对导缆孔、羊角滚轮下的加强设计也进行了改进，优先采用12 mm或14 mm高强钢设计。加强方案改进前、后的对比发现，改进后取消了大量腹板高度为700 mm的T排加强构件，并且保证了甲板纵向构件连续。

图5 带缆桩加强结构图(改进后)

4 改进后的强度校核

4.1 载荷及工况的选择

4.1.1 系索破断载荷

改进前，有限元计算中的系索破断载荷按照实际选定的系索规格Φ88 mm×200 m(破断载荷为975 kN)设定。经查舾装数计算书，此工程船舾装数=5 888，按照规范要求，系船索最小破断载荷取706 kN即可。在当前船舶设计中，选用与舾装数对应的系索破断载荷更为合理。因为实际选用的系索规格通常要高于舾装数要求对应的系索规格，这将直接导致支撑结构设计载荷的增大，除在某些特殊情况(如船东需求等)下，不建议选用。故在设计方案改进后的有限元计算中，将系索破断载荷降为706 kN。

4.1.2 带缆桩受力点

改进前，带缆桩上系泊索作用点选择最为保守的带缆桩顶端位置的节点。而此工程船所选用的带缆桩均设置了挡板，按照规范要求，对于筒体上安装了挡板的带缆桩，系泊索的作用点可以取在挡板的高度。故在改进后的计算模型中，带缆桩受力点设置在挡板高度处，可有效降低带缆桩底部的弯矩载荷。

4.1.3 导缆孔和导缆器载荷工况

以艉侧导缆孔为例，导缆孔的受力见图6。

图6 导缆孔/导缆器受力示意

假设原点为导缆孔和缆绳接触点，右侧为导缆孔内侧拉力，左侧为导缆孔外侧拉力，故导缆孔在甲板水平面内和方向上所受载荷如下。

=cos-cos

(1)

=sin-sin

(2)

式中：内侧角度由于带缆原因不会发生变化，且艉侧带缆一般只会向船舶左侧系缆，故当=90°时，和的值最大，即缆绳出绳方向和船体外表面平行时，水平面内受力最大。所以在设定导缆孔和导缆器载荷工况时，按照外侧角度在垂直方向上的变化来区分。由于舷侧的导缆器布置在横向强框架之间，相互影响小，且加强结构相对于导缆器对称布置，所以也只需要考虑=90°或-90°一种角度即可。同样以艉侧四滚柱导缆器为例，经筛选后的受载工况见表3，与表1相比，有限元计算工况数量减少了75%。

表3 艉侧四滚柱导览器受载工况(改进后) (°)

4.2 有限元计算结果分析

修改有限元计算模型，对表3所列的载荷工况分别进行计算，校核模型单元在各工况下的应力最大值。对于应力超标的单元，通过修改加强构件的板厚、规格或材质，使其应力水平满足应力衡准要求。另外，在校核单元应力水平过程中，单个单元应力衡准可取426 MPa，但要确保此单元和周边单元的应力平均值不超过355 MPa。

例举所有工况计算结果中的应力峰值，见表2，可见改进后的模型单元在各计算工况下应力峰值均满足规范应力衡准要求，且个别单元的材料强度基本用足，即在满足结构强度要求的同时，又将结构重量控制在最低水平。

5 效果分析

经统计，改进后系泊设备加强结构的重量共计约3.003 t，与改进前相比，加强结构的重量共减轻约4.482 t，降幅达60%，改进效果明显。全船共布置有带缆桩24个，四滚柱导缆器10个，巴拿马导缆孔22个，羊角单滚轮导缆器21个，若这些系泊设备加强设计均采用上述改进设计方法，可节约不少钢材用量，具有一定的经济效益。

6 结论

1)系泊设备下方支撑结构的布置可优先采取对位加强形式。但对于斜向布置的设备，采用区域板架结构加强形式更为有效。

2)在系泊操作中，尽量降低缆绳的作用点，以减小设备所承受的弯矩载荷。同时，应尽量避免缆绳和船体外板夹角过小的情况发生，以减小船上系泊设备受力。

3)加强结构设计应尽量在原船体结构布置的基础上进行，确保结构的连续性。在局部应力较大的区域尽量采用高强度钢，以减轻空船重量。

4)设计时宜选用与舾装数对应的系索破断载荷作为船体支撑结构的最小设计负载。