系泊拖帶設(shè)備船體加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析

閆晉輝，羅桂山

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2.海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031）

系泊拖帶設(shè)備船體加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析

閆晉輝1，羅桂山2

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2.海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031）

帶纜樁和導(dǎo)纜孔在船舶系泊、拖帶作業(yè)中通常會(huì)受到很大的載荷作用，在船舶設(shè)計(jì)過程中有必要對(duì)系泊、拖帶設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。以MSC.PATRAN/NASTRAN為平臺(tái)，根據(jù)船體尾部甲板的結(jié)構(gòu)形式、系泊和拖帶設(shè)備布置以及船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式建立船體局部有限元模型，通過對(duì)不同設(shè)計(jì)方案下的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，分析比較導(dǎo)纜孔、帶纜樁區(qū)域船體加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，并著重對(duì)導(dǎo)纜孔區(qū)域的加強(qiáng)形式進(jìn)予以考慮，以期為系泊、拖帶設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

系泊設(shè)備；拖帶設(shè)備；支撐結(jié)構(gòu)；安全工作載荷；許用應(yīng)力設(shè)計(jì)

系泊設(shè)備主要指船舶正常系泊作業(yè)時(shí)所使用的系纜樁與纜柱、系纜器、立式滾輪、以及用于正常拖帶作業(yè)的拖樁、拖纜孔等設(shè)備[1]。支撐結(jié)構(gòu)主要是指位于設(shè)備之下，直接承受、傳遞和分配作用在設(shè)備上載荷的船體局部結(jié)構(gòu)。

當(dāng)船舶在系泊、拖帶作業(yè)時(shí)，由于作業(yè)海域風(fēng)浪載荷的不確定性，系泊纜繩、拖帶纜繩出繩方向的不唯一性，均可能導(dǎo)致帶纜樁或?qū)Ю|孔及其支撐結(jié)構(gòu)受到比較大的載荷作用。為保證船舶的安全使用和IMO通函MSC/Circ.1175的要求，需要對(duì)系泊和拖帶設(shè)備的船體支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。通常，用于系泊和拖帶的舾裝件為標(biāo)準(zhǔn)件，在船舶設(shè)計(jì)中根據(jù)規(guī)范選取，能夠滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，因此只需分析系泊和拖帶設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度即可[2]。

在船舶系泊和拖帶作業(yè)中，作用在帶纜樁、導(dǎo)纜孔等設(shè)備上的載荷隨著系泊和拖帶的方式不同而發(fā)生變化，本文以某型船尾部甲板用于系泊拖帶工況的帶纜樁和導(dǎo)纜孔的支撐結(jié)構(gòu)為主要研究對(duì)象，分析其船體支撐結(jié)構(gòu)在各典型設(shè)計(jì)工況作用下的受力特點(diǎn)及應(yīng)力分布，以期對(duì)系泊、拖帶設(shè)備船體支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 甲板結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置

1.1 帶纜樁的布置

根據(jù)船舶系泊和拖帶需要，帶纜樁通常有三種布置形式，沿船長方向（縱向型）、沿船寬方向（橫向型）和斜向（斜向型）布置。以橫骨架式甲板結(jié)構(gòu)為例，布置型式參見圖1。根據(jù)不同型式的布置及甲板板架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以采用不同的加強(qiáng)方式。導(dǎo)纜孔一般嵌入船體外板或者近甲板邊緣布置。

1.2 甲板結(jié)構(gòu)

系泊和拖帶設(shè)備必須布置在作為甲板結(jié)構(gòu)一部分的縱桁、強(qiáng)橫梁等構(gòu)件上，以便有效的傳遞拖帶力和系泊力。對(duì)于帶纜樁、嵌入式導(dǎo)纜孔等設(shè)備其加強(qiáng)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于非嵌入式的導(dǎo)纜孔，其布置更為靠近船邊、底座尺寸較小，其下方的甲板加強(qiáng)形式容易受到施工空間的影響。對(duì)于僅通過底座與船體焊接的導(dǎo)纜孔下方的加強(qiáng)形式，必須通過強(qiáng)度計(jì)算以證明能滿足特定的工作狀態(tài)。

系泊和拖帶設(shè)備下方甲板加強(qiáng)構(gòu)件必須按作用在設(shè)備及其連接結(jié)構(gòu)上的拖帶力的方向保證有效的布置，對(duì)于與設(shè)備主要支撐結(jié)構(gòu)相連的甲板縱桁、強(qiáng)橫梁、支柱及其他構(gòu)件等，其強(qiáng)度和變形也應(yīng)考慮到因載荷方向變化而引起的載荷大小的變化。

圖1 帶纜樁布置型式示意Fig.1 Arrangement types of bollard

2 載荷分析

2.1 帶纜樁及導(dǎo)纜孔的選型

本次計(jì)算帶纜樁采用《ISO 13795-2012》標(biāo)準(zhǔn)中A400A型（甲板尾部）和A350A型（甲板舷側(cè)）兩種型式，尾部導(dǎo)纜孔采用《ISO 13729-2012》標(biāo)準(zhǔn)中A-450x250x428型式，舷側(cè)采用《ISO 13713-2012》標(biāo)準(zhǔn)中A-250x200型式。

其中A400A型帶纜樁和A-450x250x428型導(dǎo)纜孔主要用于船舶系泊和拖帶工況，A350A型帶纜樁和A-250x200型導(dǎo)纜孔主要用于船舶系泊工況。

2.2 設(shè)計(jì)載荷

2.2.1 系泊工況設(shè)計(jì)載荷

導(dǎo)纜孔和帶纜樁的安全工作載荷SWL（Safety Working Load），通常按以下兩種方法來確定：

（1）與舾裝數(shù)要求對(duì)應(yīng)的系索（纜索）的破斷載荷；

（2）實(shí)際選用系索（纜索）的最小破斷載荷MBL（Minimum Breaking Load）。

由于船舶舾裝數(shù)是通過各種船舶數(shù)據(jù)計(jì)算出來的，因此，在當(dāng)前船舶設(shè)計(jì)中，選用與舾裝數(shù)對(duì)應(yīng)的系索（纜索）的破斷載荷要更為合理。實(shí)際選用的系索規(guī)格通常要高于與舾裝數(shù)要求對(duì)應(yīng)的系索規(guī)格，這將直接導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷的增大，除在某些特殊情況（如船東需求等）下，不建議選用。

系泊作業(yè)下，文獻(xiàn)[3]中指出支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷應(yīng)為按照船舶相應(yīng)的舾裝數(shù)要求的系索（纜索）公稱斷裂強(qiáng)度的125%，而導(dǎo)纜孔和帶纜樁的安全工作載荷SWL（Safety Working Load）不應(yīng)超過該設(shè)計(jì)載荷的80%。

2.2.2 拖帶工況設(shè)計(jì)載荷

導(dǎo)纜孔和帶纜樁的安全工作載荷SWL（Safety Working Load），選用方法如下[3]：

（1）用于正常拖帶作業(yè)的安全工作載荷，如在港內(nèi)或調(diào)遣，不應(yīng)超過在拖帶和系泊布置圖上標(biāo)明最大拖索負(fù)荷的80%；

（2）對(duì)于其他拖帶作業(yè)的安全工作載荷，如伴航，不應(yīng)超過拖索的公稱斷裂強(qiáng)度。

用于在港內(nèi)或調(diào)遣作業(yè)的正常拖帶，支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷應(yīng)為在拖帶和系泊布置圖上標(biāo)明最大拖索負(fù)荷的125%；用于港內(nèi)或調(diào)遣作業(yè)以外的其他拖帶服務(wù)，如伴航服務(wù)，支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷應(yīng)為拖索的公稱斷裂強(qiáng)度；通常情況下，系泊采用單圈多重纏繞，對(duì)樁本身受力更復(fù)雜，而拖帶一般為單圈纏繞。

上文所述對(duì)于SWL的要求也僅適用于一根繩索用一個(gè)繩圈纏繞于單個(gè)帶纜樁的形式[3]，對(duì)于采用兩根繩索的情況，ISO 13795:2012(E)標(biāo)準(zhǔn)給出了對(duì)應(yīng)的SWL，較之一根繩索下的SWL，不同型號(hào)的帶纜樁均有一定比例（6%～32%）的折減。

在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估中除應(yīng)充分考慮施加設(shè)計(jì)載荷的實(shí)際作用線，還需考慮特殊布置，但支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷，通常不需要大于系纜索或拖索設(shè)計(jì)載荷的兩倍。

3 基于許用應(yīng)力法的強(qiáng)度計(jì)算

3.1 帶纜樁及導(dǎo)纜孔的加強(qiáng)

本文強(qiáng)度分析的對(duì)象為船舶尾部帶纜樁和導(dǎo)纜孔下的船體支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)備僅通過底座與甲板連接，平面布置參如圖2和圖3。由于帶纜樁、導(dǎo)纜孔的支撐結(jié)構(gòu)屬于非常局部的結(jié)構(gòu)，屬于局部應(yīng)力問題，根據(jù)有限元建模的基本要求，近似模擬帶纜樁、導(dǎo)纜孔底座及其相連的船體結(jié)構(gòu)。初始方案參如圖4和圖5。

圖2 尾部船中區(qū)域帶纜樁和導(dǎo)纜孔布置示意Fig.2 Arrangement of bollard and chock near the deck center line in the aft region of ship

圖3 尾部舷側(cè)區(qū)域帶纜樁和導(dǎo)纜孔布置示意Fig.3 Arrangement of bollard and chock near the deck side line in the aft region of ship

圖4 船中帶纜樁和導(dǎo)纜孔加強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意（初始方案）Fig.4 Local reinforcements of bollard and chock near the deck center line(initial plan)

圖5 舷側(cè)帶纜樁和導(dǎo)纜孔加強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意（初始方案）Fig.5 Local reinforcements of bollard and chock near the deck side line(initial plan)

3.2 帶纜樁及導(dǎo)纜孔受力簡析

纜繩在帶纜樁不同高度位置盤繞，可以產(chǎn)生剪力和彎矩兩種載荷。如圖6所示，當(dāng)盤繞位置在大約80%的帶纜樁高度時(shí)，主要產(chǎn)生彎矩載荷，當(dāng)盤繞在帶纜樁底部時(shí)，將主要產(chǎn)生剪力載荷[4]。根據(jù)相關(guān)研究報(bào)告[4]，彎矩載荷對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響要大于剪力載荷對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，所以在本次工作中，主要針對(duì)彎矩載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行研究。

導(dǎo)纜孔作為纜繩的導(dǎo)向設(shè)備，不同工況下載荷作用高度差別不大，所產(chǎn)生的彎矩載荷和剪力載荷對(duì)設(shè)備和支撐結(jié)構(gòu)的影響不容忽視。

3.3 基于許用應(yīng)力法的有限元模型

本文采用許用應(yīng)力法分析帶纜樁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形(縱向型，斜向型)，采用MSC.PATRAN/NASTRAN進(jìn)行有限元建模和線彈性計(jì)算?？紤]到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，僅對(duì)一舷支撐結(jié)構(gòu)予以分析。有限元模型中，尾部帶纜樁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)主要包括兩道沿著基座縱向設(shè)置的縱桁，兩道沿著基座橫向設(shè)置的短橫梁和兩道沿著橫向設(shè)置的設(shè)備支撐肘板，以及橫骨架式甲板板架布置的橫向球扁鋼骨材（參見圖4）。舷側(cè)帶纜樁由于是斜向布置，考慮到船體甲板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式和便于施工等因素，采用間斷普通骨材，沿底座布置縱桁、橫梁、肘板等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的形式（參見圖5）。在設(shè)備加強(qiáng)區(qū)域，所有構(gòu)件均采用shell單元，單元大小控制在50 mm×50 mm。

圖6 帶纜樁受力形式示意Fig.6 Load applications types

3.3.1 加強(qiáng)方案

根據(jù)局部加強(qiáng)方案，初始方案下的有限元模型主要按照表1中所示構(gòu)件建立，參見圖4和圖5，但在初步強(qiáng)度校核中發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)纜孔局部加強(qiáng)筋和腹板上存在高應(yīng)力。為了改善導(dǎo)纜孔支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，局部加強(qiáng)的最終尺寸按表2進(jìn)行調(diào)整，參見圖6和圖7。

以船中加強(qiáng)為例，圖8和圖9給出了有限元模型中初始加強(qiáng)方案和優(yōu)化后的加強(qiáng)方案示意，圖中線框區(qū)域示意加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)與導(dǎo)纜孔、帶纜樁底座周界對(duì)齊。船體及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)采用DH32高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼。同樣，對(duì)舷側(cè)導(dǎo)纜孔加強(qiáng)形式也進(jìn)行了優(yōu)化。

表1 船體加強(qiáng)結(jié)構(gòu)尺寸（初始方案，mm）Tab.1 Dimension of hull local reinforcements(initial plan,mm)

表2 船體加強(qiáng)結(jié)構(gòu)尺寸（優(yōu)化方案，mm）Tab.2 Dimension of hull local reinforcements(optimized plan,mm)

圖6 船中帶纜樁和導(dǎo)纜孔加強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意（優(yōu)化方案）Fig.6 Local reinforcements of bollard and chock near the deck center line(optimized plan)

圖7 舷側(cè)帶纜樁和導(dǎo)纜孔加強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意（優(yōu)化方案）Fig.7 Local reinforcements of bollard and chock near the deck side line(optimized plan)

圖8 船中帶纜樁和導(dǎo)纜孔加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有限元模型示意（初始方案）Fig.8 FE model of local reinforcements of bollard and chock near the deck center line(initial plan)

圖9 船中帶纜樁和導(dǎo)纜孔加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有限元模型示意（優(yōu)化方案）Fig.9 FE model of local reinforcements of bollard and chock near the deck center line(optimized plan)

本次計(jì)算中，對(duì)于帶纜樁的加強(qiáng)采用“對(duì)位加強(qiáng)”形式，帶纜樁區(qū)域的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)保持初始方案不做進(jìn)一步調(diào)整，導(dǎo)纜孔區(qū)域的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)經(jīng)過逐步設(shè)計(jì)主要有以下修改：

（1）A-500×250×428導(dǎo)纜孔下原支撐結(jié)構(gòu)為─120 mmx8 mm、P120 x 6和8 mm肘板，經(jīng)過優(yōu)化加強(qiáng)，局部P120x6調(diào)整為T型材（規(guī)格見表2），─120 mmx8 mm和8 mm肘板的厚度調(diào)整至10 mm；

（2）A-300×250導(dǎo)纜孔下原支撐結(jié)構(gòu)為P120x6，經(jīng)過優(yōu)化加強(qiáng)，局部P120x6調(diào)整為T型材（規(guī)格見表2），增設(shè)10 mm肘板。

3.3.2 典型工況

由于導(dǎo)纜孔的導(dǎo)向作用，帶纜樁所承受載荷的方向只能沿纜繩的方向（指向?qū)Ю|孔），是單方向的；而導(dǎo)纜孔在纜繩的作用下，除受到沿纜繩方向（指向帶纜樁）的載荷外，還受到沿出繩方向的載荷作用?；诖?，結(jié)合本船可能的出繩方向，主要載荷工況見表3所示。本文結(jié)合舾裝數(shù)相關(guān)計(jì)算得到本船在系泊狀態(tài)下纜繩的MBL為368 kN，在拖帶狀態(tài)下纜繩的MBL為800 kN，結(jié)合2.2節(jié)所述，選用1.25倍的MBL作為校核設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)載荷。有限元模型中，該設(shè)計(jì)載荷施加在帶纜樁柱體一定高度的參考點(diǎn)上，通過MPC單元將載荷作用至帶纜樁柱體上，再傳遞至船體結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

圖10 有限元模型加載示意：A帶纜樁；B導(dǎo)纜孔Fig.10 Load application in FE model:A bollard and B chock

3.4 邊界條件及許用應(yīng)力

本文計(jì)算采用的坐標(biāo)系統(tǒng)：原點(diǎn)O位于Fr0肋位基線處，X軸沿船首為正方向，Y軸沿船左舷為正方向，Z軸沿船上方為正方向。為消除邊界條件的影響和節(jié)省計(jì)算時(shí)間，經(jīng)多次試算模型橫向和縱向范圍選取5倍帶纜樁底座寬度范圍，垂向范圍取本甲板至下層甲板的高度。

表3 典型載荷工況Tab.3 Typical load cases

根據(jù)IACS及船級(jí)社規(guī)范規(guī)定，未細(xì)化板單元的許用正應(yīng)力為100%所用材料的屈服點(diǎn)，許用剪切應(yīng)力為60%所用材料的屈服點(diǎn)，在計(jì)算中不考慮應(yīng)力集中因素。本文參考文獻(xiàn)[5]，選用Mises合成應(yīng)力作為校核很準(zhǔn)，同時(shí)參考《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2015)第2篇第1章第1.5.6.6節(jié)，50mmx50mm細(xì)化區(qū)域板單元的許用應(yīng)力如下：

[бe]=1.5x235/K

式中：K為材料系數(shù)，本次計(jì)算取為0.78。

4 計(jì)算結(jié)果

基于優(yōu)化網(wǎng)格和簡化模型處理考慮，本次有限元模型中將帶纜樁柱體模擬為方形，為了確保本模擬方法不會(huì)產(chǎn)生大的應(yīng)力變化，與圓形柱體形式下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，如圖11所示，從應(yīng)力分布來看，方形柱體方案由于底座周界可以與下方加強(qiáng)結(jié)構(gòu)很好的連接，可以更為有效的支撐設(shè)備并將載荷傳遞開來，而圓形柱體方案由于圓弧段與下方加強(qiáng)肘板僅在局部形成有效支撐，使得柱體傳遞的載荷主要由局部肘板承載，所以，僅圖中線框所示肘板的應(yīng)力分布有所不同。本文經(jīng)過計(jì)算分析，帶纜樁設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等滿足許用應(yīng)力的要求，并且?guī)Ю|樁和導(dǎo)纜孔之間沒有明顯的應(yīng)力相互影響區(qū)域，最大應(yīng)力水平亦差別不大，基于此考慮，本次計(jì)算中主要采用方形柱體方案。

圖11 帶纜樁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖比較Fig.11 Comparison of stress contour figures of reinforcements of bollard

4.1 帶纜樁支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，帶纜樁支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和甲板板架變形均滿足相應(yīng)的要求，支撐結(jié)構(gòu)采用“對(duì)位加強(qiáng)”的形式，可以有效地承受通過樁體傳遞至船體的載荷，本文不再對(duì)其支撐結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的加強(qiáng)或者優(yōu)化構(gòu)件尺寸，表4給出了初始方案下支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，圖12和圖13則給出了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布示意。

表4 帶纜樁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果（MPa）Tab.4 FE calculation results of reinforcements of bollard(MPa)

圖12 帶纜樁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（船中）Fig.12 Stress contour figures of reinforcements of bollard(Center)

圖13 帶纜樁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（舷側(cè)）Fig.13 Stress contour figures of reinforcements of bollard(Side)

4.2 導(dǎo)纜孔支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果

導(dǎo)纜孔由于承受的載荷（合力）方向不定，相對(duì)較為復(fù)雜，初始方案下，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度很難滿足要求。為滿足強(qiáng)度要求，在不同載荷組合、不同加強(qiáng)形式下做了大量的計(jì)算分析，因此本次研究的重點(diǎn)也在于優(yōu)化導(dǎo)纜孔的加強(qiáng)形式，初始方案下導(dǎo)纜孔加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平見表5，應(yīng)力分布參見圖14和圖15。

表5 導(dǎo)纜孔加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果（初始方案）（MPa）Tab.5 FE calculation results of reinforcements of chock（initial plan）(MPa)

圖14 導(dǎo)纜孔加強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（船中-初始方案）Fig.14 Stress contour figures of reinforcements of chock(Center-initial plan)

圖15 導(dǎo)纜孔加強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（舷側(cè)-初始方案）Fig.15 Stress contour figures of reinforcements of chock(Side-initial plan)

由表5所給應(yīng)力水平可知，LC01和LC07工況下初始加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯不足，進(jìn)一步分析其它工況，可知初始加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度在各工況下均不滿足要求，因此，有必要對(duì)導(dǎo)纜孔的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步加強(qiáng)優(yōu)化。從圖14和圖15應(yīng)力云圖分布知最大應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)纜孔基座四個(gè)角點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的船體構(gòu)件上，根據(jù)這些高應(yīng)力區(qū)域的分布特點(diǎn)，對(duì)初始方案中采用的球扁鋼、扁鋼等結(jié)構(gòu)逐步修改其規(guī)格、型式，對(duì)支撐肘板的厚度予以逐步加厚，最終得到如表2所示加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化尺寸，按照表3所給工況給出有限元計(jì)算結(jié)果，見表6。

表6 導(dǎo)纜孔加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果（優(yōu)化方案）（MPa）Tab.6 FE calculation results of reinforcements of chock(optimized plan)(MPa)

分析表6數(shù)據(jù)可知，基于優(yōu)化加強(qiáng)方案，支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平較初始加強(qiáng)方案下的應(yīng)力水平有顯著降低，以LC02和LC08為例，較初始加強(qiáng)方案應(yīng)力下降了20%以上，但是由于載荷方向的不確定性，部分工況下支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平依然相對(duì)較高，此時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，決定是否對(duì)目前加強(qiáng)方案作進(jìn)一步的調(diào)整。

5 結(jié)論

本文以某艦船尾部甲板帶纜樁和導(dǎo)纜孔的支撐結(jié)構(gòu)為主要研究對(duì)象，確定了系泊、拖帶狀態(tài)下的主要載荷工況，基于許用應(yīng)力分析方法研究和計(jì)算了設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及甲板板架變形情況，給出了支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平。通過對(duì)船體系泊設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算結(jié)果的討論與分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）為保證系泊拖帶操作的安全，必須保證帶纜樁和導(dǎo)纜孔區(qū)域船體結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度和剛度，必要時(shí)需擴(kuò)大局部加強(qiáng)范圍和采用高強(qiáng)度鋼。

（2）導(dǎo)纜孔布置于船側(cè)或船端，這些位置甲板與船體外板容易形成較小的空間，不利于設(shè)備下方支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)置，所以從設(shè)計(jì)角度考慮，導(dǎo)纜孔下方的加強(qiáng)更應(yīng)引起足夠的重視。

（3）系泊和拖帶設(shè)備應(yīng)布置于強(qiáng)構(gòu)件上，必要時(shí)在局部增設(shè)強(qiáng)構(gòu)件以對(duì)設(shè)備形成有效支撐。同時(shí)，由于載荷方向的不確定性，在設(shè)計(jì)中需根據(jù)船型特點(diǎn)和設(shè)備布置情況確定纜繩可能的出繩方向，以最優(yōu)化強(qiáng)構(gòu)件的布置和設(shè)計(jì)。

（4）設(shè)備下方支撐結(jié)構(gòu)的布置最好能夠與設(shè)備底座形成有效支撐，也即采取對(duì)位加強(qiáng)形式，在對(duì)位加強(qiáng)形式難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以采用區(qū)域板架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式。

（5）在系泊拖帶操作中，盡量降低纜繩的作用點(diǎn)，以減小彎矩；同時(shí)，應(yīng)盡量減少出現(xiàn)纜繩夾角較小的情況。

[1]張冠楠,孫慧莉.系泊設(shè)備及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的規(guī)范分析及應(yīng)用析[J].船舶設(shè)計(jì)通訊,2014(2):78-81.

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[3]中國船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2015.

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Strength Assessment for Reinforcements of Mooring and Towing Equipments

YAN Jin-hui1,LUO Gui-shan2
(1.Marine Design&Research Institute of China,Shanghai 200011；2.Navy Representative Office at shanghai NO.704 Research Instiute,Shanghai 200031,China)

Bollard and chock are usually affected by large loads in the mooring or towing operations.It is necessary to analyse the strength of reinforcements of mooring and towing equipment.Based on the MSC.Patran/Nastran,the local hull finite element models were established according to the aft deck grillage arrangement,mooring and towing equipment arrangement and the type of reinforcements.According to the calculation of reinforcements under different design plans,the different stress distribution of the reinforcements were analyzed and compared.The types of reinforcements of chock were primarily took into consideration.This research will provide certain reference for the checking and optimization of reinforcements of mooring and towing equipment.

mooring equipments;towing equipments;reinforcements;safety working load(SWL);allowable stress design(ASD)

U663.7

：A

2016-10-01

閆晉輝（1986-），男，山西長治人，工程師，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析.E-mail:yanjinhuiok@126.com

1008－830X(2017)01－0034－08