(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

系泊絞車是絞車的一種。系泊絞車是在船舶泊船或泊船靠岸停船時(shí)同樣能有效運(yùn)行，并且具有眾多功能如在裝載和卸載過程中起到漂移、支持和定位的作用，同時(shí)以恒定的張力調(diào)整補(bǔ)償振動(dòng)產(chǎn)生的偏差[1,2]。岸上安裝用于泊船裝載或卸載的系泊絞車就是恒定張力調(diào)整特征的應(yīng)用實(shí)例[3]。

參照國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)頒布的關(guān)于油船和散貨船的共同結(jié)構(gòu)規(guī)范 (Common Structural Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers，CSR)[4]2015版的要求，對(duì)系泊絞車基座及其支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部強(qiáng)度分析，文章講述了有限元模型的建立規(guī)則、網(wǎng)格尺寸的大小、邊界條件的選取、計(jì)算工況、應(yīng)力衡準(zhǔn)、計(jì)算結(jié)果展示，根據(jù)分析結(jié)果提出設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)。

該船總長(zhǎng)200m，型寬32.26m，型深20.6m，無限航區(qū)。該船設(shè)12個(gè)貨油艙，2個(gè)污油艙，航速14.2節(jié)，續(xù)航力可達(dá)10000海里，達(dá)到船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)第二階段，總體性能優(yōu)良，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)秀，安全，環(huán)保。

1 有限元模型的建立

1.1 模型范圍及單元類型

本有限元模型根據(jù)結(jié)構(gòu)圖紙，采用MSC.Patran軟件建模，Nastran求解，系泊絞車基座及下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，從艏到艉部依次編號(hào)為M1,M2,M3,M4,M5,M6,M7。布置圖見圖1。

圖1 全船系泊絞車布置

在有限元模型中，系泊絞車M1縱向范圍由FR95至船首，橫向范圍為整個(gè)船寬，垂向范圍為13190平臺(tái)至基座面板。系泊絞車M2縱向范圍為FR92～FR95，橫向范圍為船中至DL15。系泊絞車M3，M4的結(jié)構(gòu)布置和載荷情況與M2十分相似，由于大范圍使用了高強(qiáng)度鋼，應(yīng)力水平相對(duì)較低，故不予重復(fù)計(jì)算。系泊絞車M5，M6，M7的縱向范圍由船尾至FR12，橫向范圍為整個(gè)船寬，垂向范圍為上甲板至A平臺(tái)。

有限元模型包括了基座下的所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件，絞車基座、主甲板、艙壁板以及橫梁、縱骨、縱桁及強(qiáng)橫梁的腹板采用殼體單元模擬。根據(jù)CSR，校核絞車基座及其下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí)采用建造尺寸模擬。圖2～圖4所示為絞車基座有限元模型示意圖。

圖2 絞車基座M1有限元模型

圖3 絞車基座M2有限元模型

圖4 絞車基座M5，M6，M7有限元模型

1.2 邊界條件

由于建模的時(shí)候所要校核的區(qū)域離邊界一般認(rèn)為是足夠遠(yuǎn)的，如果邊界距離分析的位置為1個(gè)強(qiáng)框間距即可認(rèn)為邊界條件對(duì)分析的位置無影響。實(shí)際上，此時(shí)邊界條件對(duì)計(jì)算的結(jié)果是沒有影響的，但是一般仍然按照規(guī)范規(guī)定的邊界條件來實(shí)施。即限制所分析模型邊界節(jié)點(diǎn)在X,Y,Z三個(gè)方向的位移，邊界節(jié)點(diǎn)繞X軸,Y軸,Z軸的轉(zhuǎn)角不作任何約束，相當(dāng)于模型的邊界條件為簡(jiǎn)支。

2 載荷及工況

2.1 絞車甲板上浪載荷

參照CSR規(guī)范中的要求，需要計(jì)算上浪工況的絞車僅限于布置在船首0.25L范圍內(nèi)，其他地方的系泊絞車不需要計(jì)算甲板上浪載荷，作用在絞車上的壓力和計(jì)算面積可按下述計(jì)算，具體過程參見CSR規(guī)范，如圖5所示：

圖5 作用載荷方向示意圖

圖6 螺栓組布置及編號(hào)

因此其相對(duì)中心坐標(biāo)(X0,Y0)的坐標(biāo)(Xi,Yi)參見表1。

表1 螺栓布置參數(shù)計(jì)算

當(dāng)絞車在左舷上浪時(shí)，即作用力Px為左舷指向右舷方向時(shí)，可得到螺栓組的軸向力和水平剪切力，根據(jù)規(guī)范計(jì)算得到的結(jié)果見表2。

當(dāng)絞車在右舷上浪時(shí)，即作用力為右舷指向左舷方向時(shí)，可得到螺栓組的軸向力和水平剪切力，根據(jù)規(guī)范計(jì)算得到的結(jié)果見表3。

表2 螺栓軸向力和水平剪切力(左舷上浪)

表3 螺栓軸向力和水平剪切力(右舷上浪)

2.2 作用于絞車的系索破斷強(qiáng)度載荷

系泊絞車系索規(guī)范計(jì)算的破斷力為647 kN, 125%，系索破斷力為808.75 kN。模型實(shí)際加載情況參見圖7。

圖7 作用于絞車的125%系索破斷強(qiáng)度載荷

2.3 作用于絞車的制動(dòng)載荷

系泊絞車系索的破斷力為572 kN，破斷力平均分配到4個(gè)螺栓受力點(diǎn)上。模型實(shí)際加載情況參見圖8。

圖8 作用于絞車的100%絞車制動(dòng)載荷

3 強(qiáng)度評(píng)估

3.1 應(yīng)力衡準(zhǔn)

按照CSR要求，作用于絞車支撐結(jié)構(gòu)上，基于系泊作業(yè)設(shè)計(jì)載荷以及上浪設(shè)計(jì)載荷作用下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，根據(jù)總厚度計(jì)算，應(yīng)不大于以下許用應(yīng)力：

正應(yīng)力：[σ]=1.00σyd

剪應(yīng)力：[σ]=0.58σyd

絞車支撐結(jié)構(gòu)使用了A級(jí)普通鋼，其屈服極限σyd=235 N/mm2，正應(yīng)力與剪切應(yīng)力的許用值分別為235 N/mm2和136 N/mm2；另外貨艙區(qū)域還使用了A級(jí)高強(qiáng)度鋼，其屈服極限σyd=315 N/mm2，正應(yīng)力與剪切應(yīng)力的許用值分別為315 N/mm2和182 N/mm2。

3.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算所得各工況下最大合成應(yīng)力與許用合成應(yīng)力的比較如表4所示。限于篇幅的原因，只展示M1絞車在甲板上浪、125%系索破斷和制動(dòng)工況下結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力云圖、剪應(yīng)力云圖以及桿單元最大軸向應(yīng)力云圖，見圖9～17。

表4 各工況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總

如表4所示，系泊絞車基座甲板下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)計(jì)算所得的應(yīng)力值均小于規(guī)范許用值，系泊絞車基座甲板下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖9 系泊絞車M1甲板上浪工況下系泊絞車基座下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)正應(yīng)力分布

圖10 系泊絞車M1甲板上浪工況下系泊絞車基座下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力分布

圖11 系泊絞車M1甲板上浪工況下系泊絞車基座下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)桿單元正應(yīng)力分布

圖12 系泊絞車M1系泊索破斷工況下系泊絞車基座下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)正應(yīng)力分布

圖13 系泊絞車M1系泊索破斷工況下系泊絞車基座下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力分布

圖14 系泊絞車M1系泊索破斷工況下系泊絞車基座下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)桿單元正應(yīng)力分布

圖15 系泊絞車M1制動(dòng)工況下系泊絞車基座下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)正應(yīng)力分布

圖16 系泊絞車M1制動(dòng)工況下系泊絞車基座下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力分布

圖17 系泊絞車M1制動(dòng)工況下系泊絞車基座下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)桿單元正應(yīng)力分布

4 結(jié) 語

對(duì)于M1絞車，其下加強(qiáng)板單元正應(yīng)力的決定工況為上浪工況，由于其距離船首最近，所以上浪載荷最大，這也與實(shí)際情況相符合。M2絞車下加強(qiáng)板單元正應(yīng)力的決定工況為制動(dòng)工況，但其甲板上浪工況應(yīng)力也不小，其原因是M2絞車距離船首稍遠(yuǎn)。M3、M4和M5絞車下加強(qiáng)板單元正應(yīng)力的決定工況為制動(dòng)工況。因此，對(duì)于距離船首0.25L范圍內(nèi)的絞車其上浪載荷很大，設(shè)計(jì)時(shí)需要注意。其他區(qū)域的絞車決定工況一般為制動(dòng)工況。通過對(duì)64900載重噸原油船系泊絞車基座下船體支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的進(jìn)行有限元計(jì)算分析，證明其強(qiáng)度滿足CSR相關(guān)規(guī)范要求。文中計(jì)算方法和分析結(jié)論可為同類船舶系泊絞車及船體支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。