54 000 DWT散貨船船體拖帶與系泊設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的有限元強(qiáng)度分析

譚銀朝，劉國(guó)平，李國(guó)強(qiáng)

（浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山　316022）

·研究簡(jiǎn)報(bào)·

54 000 DWT散貨船船體拖帶與系泊設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的有限元強(qiáng)度分析

譚銀朝，劉國(guó)平，李國(guó)強(qiáng)

（浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316022）

依據(jù)54 000 DWT散貨船的拖帶與系泊設(shè)備布置，在船首、船中、船尾選擇幾個(gè)典型的帶纜樁、拖樁、導(dǎo)纜孔等結(jié)構(gòu)，將上述等結(jié)構(gòu)，逐個(gè)用通用有限元軟件MSC/PATRAN進(jìn)行構(gòu)建模型，然后再用MSC/NASTRAN進(jìn)行相關(guān)有限元強(qiáng)度計(jì)算，最后，對(duì)得到的的結(jié)果進(jìn)行了分析與校核。經(jīng)有限元分析計(jì)算得到的結(jié)論可以為以后船舶類似支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供一定的參考。

船體拖帶；系泊設(shè)備；強(qiáng)度分析與校核

在世界經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，航運(yùn)作為最實(shí)惠的運(yùn)輸方式，其高速發(fā)展的勢(shì)頭也被帶動(dòng)了起來，其中最受歡迎的船舶類型便是散貨船，因此它的需求量越來越大。然而，一直以來，散貨船的折損問題也一直是船東們一筆損失。眾所周知，船舶的拖帶與系泊是船舶營(yíng)運(yùn)過程中的常用工況，但是此時(shí)船體支撐結(jié)構(gòu)與系泊設(shè)備受力較大，如果此處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，很容易造成事故，經(jīng)常會(huì)對(duì)人身以及財(cái)產(chǎn)的安全造成嚴(yán)重的威脅。所以，根據(jù)中國(guó)船級(jí)社通函的要求，需針對(duì)性的對(duì)此以及其附近的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析［1］。

船上的拖樁、拖纜孔、導(dǎo)纜器等設(shè)備，受力最大的時(shí)候，莫過于船舶進(jìn)行拖帶、系泊作業(yè)的時(shí)候。對(duì)各拖帶以及系泊設(shè)備進(jìn)行一定的強(qiáng)度校核，能有效提高船舶拖帶與系泊過程中的安全系數(shù)。只要在船舶拖帶以及系泊作業(yè)工況下，確保拖帶和系泊設(shè)備能夠承受住相應(yīng)符合，其他工況一般便不需再考慮。因此，也只需要對(duì)拖帶和系泊設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、計(jì)算、強(qiáng)度分析與校核等。

分析時(shí)要考慮兩種工況，即拖帶工況和系泊工況，而具體的拖帶和系泊方式，可能會(huì)導(dǎo)致作用在拖帶和系泊構(gòu)件上的載荷不同。由于在船體拖帶與系泊的情況下，此處的結(jié)構(gòu)受載同樣有差別。然而在計(jì)算過程中，為確保安全，我們需要進(jìn)行的強(qiáng)度校核計(jì)算，是對(duì)拖帶以及系泊結(jié)構(gòu)破壞最大的受載工況［2］。計(jì)算得出的結(jié)論將會(huì)對(duì)以后散貨船相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度分析具有一定的參考意義。

1　有限元模型的建立

圖1　各模型在船體上的分布圖Fig.1　The distribution diagram on the hull of each model

1.1模型分布

本船拖帶與系泊設(shè)備按照中國(guó)船級(jí)社規(guī)范及船東要求配備，系泊部分有各類帶纜樁12個(gè)，拖帶部分有2個(gè)拖樁。甲板結(jié)構(gòu)的橫梁和縱桁相對(duì)來說屬于強(qiáng)構(gòu)件，把以上設(shè)備盡量均勻的布置在橫梁和縱桁上，可以使拖帶和系泊設(shè)備上的復(fù)合得到均勻有效的分布。其配備分布如圖1所示。

1.2坐標(biāo)系及量綱

建立模型以及計(jì)算的整個(gè)過程中，涉及到的單位統(tǒng)一用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位制，涉及到的坐標(biāo)統(tǒng)一以右手笛卡爾坐標(biāo)系：

a）軸指向船艏；

b）軸指向左舷側(cè)；

c）軸沿船體垂直甲板向上。

1.3材料特性

結(jié)構(gòu)采用“中國(guó)船級(jí)社-A”級(jí)鋼構(gòu)成。計(jì)算時(shí)，材料的物理特性參數(shù)取值如下：

彈性模量：E=2.06×1011N/m2

泊松比：μ=0.26

屈服點(diǎn)：σS=235Mpa

密度：ρ=7.85 t/m3

1.4模型建立

1.4.1系泊部分

本船系泊設(shè)備按中國(guó)船級(jí)社規(guī)范及船東要求配有各類帶纜樁12個(gè)。由于結(jié)構(gòu)與載荷的對(duì)稱性，在船首、船中、船尾各選擇1個(gè)有代表性的帶纜樁分別建立模型計(jì)算；帶纜樁和導(dǎo)纜滾輪布置及對(duì)應(yīng)的模型編號(hào)如圖1所示。

模型4是首部帶纜樁，位于肋位229至肋位232之間，總體坐標(biāo)系位于首樓甲板上表面。如圖2、圖3所示。

模型5是中部帶纜樁，位于肋位125至肋位127之間，坐標(biāo)系位于首樓甲板上表面。如圖4、圖5所示。

模型7是尾部帶纜樁，位于肋位2至肋位5之間。坐標(biāo)系位于首樓甲板上表面。如圖6、圖7所示。

圖2　模型4的有限元模型Fig.2　Finite element model of model 4

圖3　模型4的有限元模型（背面）Fig.3　Finite element model of model 4（back）

圖4　模型5的有限元模型Fig.4　Finite element model of model 5

圖5　模型5的有限元模型（背面）Fig.5　Finite element model of model 5（back）

圖6　模型7的有限元模型Fig.6　Finite element model of model 7

圖7　模型7的有限元模型（背面）Fig.7　Finite element model of model 7（back）

1.4.2拖帶部分

拖帶部分有2個(gè)拖樁，分別布置在首部船中位置和尾部船中位置。模型1是首部拖樁，模型9是尾部拖樁。其模型如圖8～11所示。

圖8　模型1的有限元模型Fig.8　Finite element model of model 1

圖9　模型1的有限元模型（背面）Fig.9　Finite element model of model 1（back）

圖10　模型9的有限元模型Fig.10　Finite element model of model 9

圖11　模型9的有限元模型（背面）Fig.11　Finite element model of model 9（back）

1.5邊界條件

在艙壁和距帶纜樁、拖樁較遠(yuǎn)處的縱桁、強(qiáng)橫梁等模型的邊界處限制x、y、z三個(gè)方向的平動(dòng)自由［3］。

1.6載荷工況

1.6.1舾裝數(shù)

計(jì)算過程中，舾裝數(shù)按照以下公式計(jì)算［4］：

其中：Δ——夏季載重線以下的型排水量，單位為噸（t）；

B——船寬，單位為米（m）；

H——夏季載重水線到最上層艙室頂?shù)挠行Ц叨龋瑔挝粸槊祝╩）；

A——在船長(zhǎng)L范圍內(nèi)，夏季載重水線以上的船體以及上層建筑和各層寬度大于B/4的甲板室部分的側(cè)投影面積的總和，單位為平方米（m2）。

要得到系索和拖索的設(shè)計(jì)負(fù)荷，需要根據(jù)三個(gè)數(shù)據(jù)。一是：船舶舾裝數(shù)，二是：《船級(jí)社規(guī)范》中相應(yīng)要求。三是：系索以及拖索的公稱破斷強(qiáng)度。

1.6.2載荷考慮

（1）確定設(shè)計(jì)中系泊、拖帶操作時(shí)負(fù)荷的數(shù)值。

我們可以得到舾裝數(shù)EN規(guī)定的系索和拖索的公稱破斷負(fù)荷，此時(shí)的設(shè)計(jì)數(shù)值便取系索和拖索的公稱破斷負(fù)荷的1.25倍。

（2）設(shè)計(jì)負(fù)荷施加的方式。

通過依據(jù)系泊與拖帶布置圖顯示布置的系索與拖索進(jìn)行施加。

1.6.3載荷施加方法。

在有限元計(jì)算中，所有的計(jì)算載荷都通過MPC單元的REB2施加到帶纜樁、拖樁受力高度的中心位置。其中，Independent Node為力的作用點(diǎn)；Dependent Node［5］為系泊設(shè)備連接船體結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)。

2　有限元計(jì)算結(jié)果及分析

2.1應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)

板單元的應(yīng)力計(jì)算，包括單元各節(jié)點(diǎn)和參考點(diǎn)上的（σx，σy，τ）及σE等。筆者采用Mises合成應(yīng)力。按照如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中許用應(yīng)力?。郐遥?235.0 MPa。

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2012年版）第2分冊(cè)，船體部分相關(guān)章節(jié)的規(guī)定，船體支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)件的組合應(yīng)力許用應(yīng)力等于100%材料的屈服應(yīng)力即235.0MPa。

2.2計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)以上章節(jié)對(duì)船體拖帶與系泊設(shè)備建立的有限元分析模型，并且根據(jù)規(guī)范對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算與分析。本54 000 DWT散貨船船體拖帶與系泊設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的有限元強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　54 000 DWT散貨船船體拖帶及系泊支撐結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算數(shù)據(jù)Tab.1　The date of strength analysis for reinforcement of towing and mooring equipment of 54 000 DWT bulk carrier based on finite

系泊工況下，帶纜樁會(huì)承受系索通過導(dǎo)纜孔以及導(dǎo)纜滾輪產(chǎn)生的拉力，在船艏FR229～FR232處的帶纜樁（模型4）附近的甲板上產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，如圖12所示。由計(jì)算結(jié)果可知，產(chǎn)生最大的相當(dāng)應(yīng)力值為，相應(yīng)的最大變形值為。

拖帶工況下，尾部拖樁（模型9）上的受力最為集中。具體，受力較大的區(qū)域集中在尾部拖樁處的船體結(jié)構(gòu)上。由計(jì)算結(jié)果可知，板架最大相當(dāng)應(yīng)力值為，相應(yīng)的最大變形值為。

模型4與模型9的最大應(yīng)力云圖與最大變形圖分別見圖12～15。

對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果分析可知，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度全部滿足中國(guó)船級(jí)社關(guān)于船體拖帶及系泊支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。

圖12　模型4合成應(yīng)力云圖（MPa）Fig.12　Synthetic stress cloud of model 4（MPa）

圖13　模型4的變形圖（mm）Fig.13　Deformation map of model 4（mm）

圖14　模型9的合成應(yīng)力云圖（MPa）Fig.14　Synthetic stress cloud of model 9（MPa）

圖15　模型9的變形圖（mm）Fig.15　Deformation map of model 9（mm）

3　總結(jié)

以上計(jì)算結(jié)果表明，在船舶進(jìn)行系泊與拖帶作業(yè)工況下，拖樁結(jié)構(gòu)、系泊設(shè)備以及附近的船體結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生較大的受載。所以，必須保證承受較大受載區(qū)域的拖樁、船體等結(jié)構(gòu)具有足夠大的強(qiáng)度，才能提高船舶拖帶與系泊作業(yè)過程中的安全系數(shù)。如果需要，還須在局部需要加強(qiáng)強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)上采用高強(qiáng)度鋼。比較中國(guó)船級(jí)社對(duì)此相規(guī)范的要求，此船的拖帶及系泊支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。系泊工況時(shí)首部帶纜樁區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大，拖帶工況時(shí)尾部拖樁區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大，實(shí)際作業(yè)時(shí)應(yīng)加以注意。

［1］中國(guó)船級(jí)社.MSC/Circ.1875通函［S］.2004.

［2］顧俊.基于有限元的25000噸成品油船船體拖帶及系泊支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［J］.青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，33（2）：10-13.

［3］王亮，張猛.55 000 DWT成品油/原油輪系泊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有限元分析［J］.廣船科技，2012（1）：3.

［4］中國(guó)船級(jí)社.鋼制海船入級(jí)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2012.

［5］謝永和，王偉.散貨船橫向強(qiáng)度有限元分析［J］.SHIP ENGINEERING，2007，29（1）：6.

Strength Analysis for Reinforcement of Towing and Mooring Equipment of 54 000 DWT Bulk Carrier Based on Finite Element

TAN Yin-chao，LIU Guo-ping，LI Guo-qiang
（School of Ship and Ocean Engineering of Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022，China）

According to the mooring equipment arrangement of 54 000 DWT bulk carrier，due to the symmetry structure and load，typical bitt bollard，towing post，fairlead in fore part，mid part and after part was taken as examples.Modeling using the finite element software MSC/PATRAN，calculating using the MSC/NASTRAN and to analysis the reinforcement of towing and mooring equipment.To ensure the structural strength meet the relevant requirements of the rules of china classification society.

hull towing；mooring equipment；strength analysis and checking；PATRAN

U661.43

A

1008-830X（2015）03-0296-05

2014-10-09

譚銀朝（1989-），男，山東莘縣人，碩士研究生，研究方向：船舶與海洋工程.E-mail：tanyinchao8888@126.com

劉國(guó)平，教授.E-mail：liuguoping88@sohu.com