某沿海双体客船系泊锚泊支撑结构设计

2020-05-25王轩黄涣青

广东造船 2020年2期

王轩　黄涣青

摘要：本文介绍了中国船级社《规范》对系泊锚泊设备支撑结构的设计和计算方法，并以某沿海双体客船为实例，对该船首尾系泊锚泊设备支撑结构的设计进行阐述。基于Patran/Nastran有限元软件，建立包含舷墙和锚机基座的船体有限元模型，对各系泊锚泊设备进行受力分析，校核其支撑结构强度。计算结果表明，该船系泊锚泊支撑结构满足《规范》的相关强度要求，可为同类船舶系泊锚泊支撑结构设计提供参考。根据计算结果，对设计方案提出建议和注意事项。

关键词：系泊锚泊;支撑结构;强度计算

中图分类号：U663.7 文献标识码：A

Abstract： This paper introduces the design and calculation method of supporting structure of mooring and anchoring equipment in the rules of China Classification Society （CCS）， and takes a coastal passenger catamaran as a design example to describe the design method of fore and aft mooring equipment supporting structure. The finite element model of hull including bulwark structure and windlass foundation is established based on Patran / Nastran software， and the force analysis and strength check are carried out for the mooring and anchoring equipment and its supporting structure. The results show that the supporting structure of the ship meets the relevant strength requirement of the CCSs rules and can provide reference for the design of mooring and anchoring supporting structure of similar ships. Some suggestions and matters needing attentions are put forward according to the calculation results.

Key words： Mooring and anchoring; Supporting structure; Strength calculation

1 前言

船舶系泊錨泊设备在工作时，会受到较大的集中载荷。为了保证作业的安全，需要根据这些设备的作业特点和基座形式，对其支撑结构进行设计，并采用直接计算方法验证设计结果[1]。

2 系泊锚泊支撑结构设计

系泊锚泊设备支撑结构设计，可参照《国内航行海船建造规范》（2018）[2] [3]（以下简称《规范》）3.6.3.5对拖带船用配件支撑结构的要求进行，图1为其结构布置方法示意图。

建立结构的三维有限元模型，对系泊锚泊设备支撑结构构件应力进行直接计算。通常，系泊船舶用的系缆桩、导缆孔以及用于拖带的设备的设计载荷和许用应力，参考《规范》第3章第6节的要求;锚机、挚链器等锚泊甲板设备的设计载荷和许用应力，参考《规范》第3章第7节的要求。设计和建模时，需注意所有构件均应增加2 mm的腐蚀厚度。

系泊设备如系缆桩、拖桩等支撑结构载荷，以系索破断强度的1.15倍作为设计载荷;导缆孔根据系索布置计算载荷分量的合成力[4];锚泊设备如锚机载荷，主要参考《规范》3.2.5甲板上浪载荷和锚链破断负荷。当不带挚链器时锚机设计载荷为破断负荷的80%，若带有挚链器为45%;挚链器载荷为破断负荷的80%;许用应力（板元相当应力和梁单元合成应力）不大于钢材的屈服强度，剪切应力不大于屈服强度的60%。

3 设计及强度计算分析实例

以某300客位沿海双体客船为例，分别对首尾区域的带缆桩、导缆孔、十字缆桩、锚机、挚链器支撑结构进行设计，并采用有限元方法校核其应力。该船主尺度如下：

3.1 支撑结构设计

3.1.1 首尾部带缆桩支撑结构设计

本船首尾部带缆桩选用型号为GB/T554-2008 A200-78，主甲板支撑结构用桁材沿长边方向进行加强。首部带缆桩系泊加强结构示意图，如图2所示（包含锚泊加强）。

3.1.2 首尾部舷墙导缆孔支撑结构设计

本船首尾部系泊导缆孔选用型号为GB/T36213-2018 B250x200，导缆孔周围与舷墙开孔相焊接，并对孔缘左右和上下增加肘板进行加强。图3为首部导缆孔加强结构示意图（位于舷墙结构）。

3.1.3 首尾部十字缆桩支撑结构设计

本船首尾部十字缆桩选用型号为CB/T3845-2013 250，其底座为500x500的正方形，尾部沿船宽方向进行加强;位于船首的十字缆桩中心位置在片体内舷外板，并和连接桥相连接，此处若沿船宽方向加强则施工困难。考虑到本船连接桥为横骨架式，肋距为550 mm，在保证不影响系泊与拖带功能的前提下，可通过在十字缆桩下端增加倾斜的T型材并与连接桥横隔板直接相连，采用直接计算法对该T型材强度进行验证。尾部十字缆桩加强结构示意图，如图4所示。

3.1.4首部锚机支撑结构设计

本船电动锚绞盘和挚链器匹配锚链直径为φ24。其中，挚链器选用CB/T3844-2000。通过基座将锚机（挚链器）和主船体相连;锚机基座应考虑螺栓位置，主甲板上应通过桁材对锚机基座进行加强;挚链器基座沿长边方向布置，并在主甲板进行加强。

3.2 模型建立

3.2.1 有限元模型

在MSC.Patran中建立全船有限元模型，模型范围为首尾主甲板以下的全船结构[5]。具体模型的范围为：纵向从片体尾封板至首柱;考虑到模型的对称性，横向从中纵剖面至右舷，包括和片体相连的连接桥;垂向从船底基线至主甲板。其中首部区域包括了首舷墙结构、锚机底座及支撑结构，尾部区域包括了尾舷墙结构。

具体建模要求参考《规范》3.6.4.5和3.7.2.6对有限元模型要求。网格大小约1个肋骨间距;支撑结构周围区域网格适当加密，以反映设备支撑结构的实际分布。主要板材和桁材腹板用壳单元模拟;扶强材和桁材面板用梁单元模拟。首部结构模型见图5，尾部结构模型见图6（图示左舷，右舷对称）。

3.2.2边界条件

边界条件以不影响中心区域的计算结果为原则。为消除刚体位移，同时远离应力集中的影响，在船体中线和片体中心线底部施加固定约束，如图7所示。

3.3 设计载荷计算

3.3.1 带缆桩载荷

根据《规范》3.6.4.3，船用配件的船体支撑结构的最小设计负荷，应为设计者选定的系索破断强度的1.15倍，即最小设计负荷为120.75 kN;载荷方向根据《系泊设备布置图》确定：系泊索指向舷外，作用点位于距基座以上4/5的筒体高度，即距主甲板高度为340 mm。

设计载荷见表1;尾部带缆桩、导缆孔、十字拖桩加载示意图，见图8。

3.3.2导缆孔载荷

导缆孔设计载荷方向，应考虑相应带缆桩（或十字缆桩）的布置位置，并考虑位于舷外的系索与船体之间存在的相对位置夹角（即舷外向上为30°、向下为-90°、向左为-90°、向右为90°），因此对于导缆孔应计算四种不同工况;此外，位于船首和船尾的十字缆桩系索的最小设计负荷为201 kN。受篇幅限制，仅列出工况1对应的导缆孔载荷（舷外向左-90°）与舷内载荷的叠加，如表2所列。

3.3.3 十字缆桩载荷

《规范》3.6.3.3规定，十字缆桩的拖带设计载荷，应为舾装数N对应的拖索破断负荷201 kN;具体方向根据系泊设备布置图确定（系泊索指向舷外）;设计负荷如表3所列，作用点距主甲板640 mm。需注意首部十字缆桩为拖带兼系泊用，从不同的导缆孔穿出的系索方向不同，受力应予以区分。

3.3.4 锚机载荷

根据《规范》§3.2.5，甲板上浪载荷分为Px和Py：Px垂直于锚机轴线由船首向后方向;Py平行于锚机轴线分别作用于舷外和舷内，作用于锚机滚筒中心线处，距锚机基座上表面280 mm。Px为94.3 kN、Py为120.3 kN。

本船锚机配有挚链器，根据《规范》§3.7.2锚机设计载荷为锚链破断强度的0.45倍;作用点位于锚机滚筒中心线处，作用方向为锚链沿挚链器和锚链孔的方向，大小为214 kN。

3.3.5挚链器载荷

挚链器支撑结构的设计载荷为0.8倍锚链的破断强度，大小为381 kN;作用点位于挚链器滚轮中心线处，距首升高甲板715 mm;方向由锚泊设备布置图确定。

3. 4 计算工况

根据前述受力分析，校核缆桩和导缆孔、锚机和掣链器的工况组合。对于系泊与拖带，LC1～LC4分别为导缆孔舷外四个不同方向载荷及舷内载荷、对应缆桩载荷，LC5为#74+200十字缆桩兼拖带功能及对应导缆孔载荷。对于锚泊，LC1和LC2分别为舷外和舷内锚机甲板上浪载荷，LC3为锚机0.45倍锚链破断载荷及挚链器0.8倍锚链破断载荷。考虑到系泊与拖带和錨泊对应位置不同，共5种计算工况。

3. 5 许用应力与计算结果汇总

根据得到的计算结果，首部区域加强结构相当应力（LC3）见图9，尾部区域加强结构相当应力（LC1）见图10。对应的首尾加强结构应力水平汇总见表4。

计算结果表明，本船首部系泊锚泊支撑结构和尾部系泊支撑结构，均满足《规范》的相关要求。

4 总结

本文根据《规范》要求，对该船首尾系泊锚泊支撑结构进行强度分析，计算结果表明满足要求。同时，在设计过程应注意以下几点：

（1）应提前考虑系泊锚泊设备的布置和钢材腐蚀量对结构的影响。在结构规范计算时，除了满足构件自身的强度外，还应对首楼甲板、尾部甲板及支撑结构进行适当加厚;

（2）在支撑舷墙导缆孔的肘板位置出现了应力集中现象，在设计舷墙时应适当降低舷墙肘板间距、对舷墙顶部构件进行适当加强，以减小因受到集中载荷作用在导缆孔所引起的变形。此外，在建造时应将支撑导缆孔的肘板与导缆孔进行全焊透，以增加受力面积;

（3）位于锚机底座支撑结构的应力较大，在设计时应适当增大周围的强构件的尺寸。此外，在有限元建模的过程中，应尽可能准确的模拟该区域的结构支撑。

参考文献

[1] 崔健，陈家旺，韩强，吴永顺. 全回转拖轮首部带缆桩甲板支撑结构强度分析[J].中外船舶科技，2012（2）：22-24.

[2] 中国船级社. 国内航行海船建造规范[M].北京：人民交通出版社，2018.

[3] 中国船级社. 关于执行MSC/Circ.1175通函的通知[S].2005.