王武 劉健龍 彭善輝 桂秋璐

摘? 要：本文以180000DWT散貨船為例，對(duì)于通航巴拿馬運(yùn)河新閘及澳大利亞港口的散貨船，依據(jù)巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范和中國(guó)船級(jí)社（CCS）規(guī)范要求，對(duì)超過(guò)120000DWT的大型散貨船系泊設(shè)備及其船體支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)，并利用商用軟件MSC.Patran/MSC.Nastran對(duì)改裝區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，可供有關(guān)船舶設(shè)計(jì)人員價(jià)值。

關(guān)鍵詞：? 巴拿馬運(yùn)河新閘;澳大利亞;系泊改裝;船體支撐結(jié)構(gòu);有限元分析;強(qiáng)度校核

中圖分類(lèi)號(hào)： U662.2? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Major shipping companies demands their bulk carriers to navigate the new lock in the Panama Canal and an Australian port. By taking the 180000 DWT bulk carrier as an example， in accordance with the requirements of the new locks of the Panama Canal and the China Classification Society （CCS）， the mooring equipment and its supporting structure for bulk carriers of more than 120，000 DWT are modified and optimized， and the strength analysis of the structures in the partial modified area is carried out by using the commercial software MSC.Patran/MSC.Nastran.

Key words： New lock of Panama Canal; Australian port; Mooring modification;Supporting hull structure;FEM;Strength check

1 前言

巴拿馬運(yùn)河自1914年通航以來(lái)，已成為全球重要航道。由于通過(guò)巴拿馬運(yùn)河的船舶，需借助外力的牽引，因此巴拿馬當(dāng)局制定了通航巴拿馬新閘的規(guī)范要求（包括帶纜樁、導(dǎo)纜孔、拖帶負(fù)載等）。此外，澳大利亞是煤炭、鐵礦石等散貨出口大國(guó)，澳大利亞港口亦有相應(yīng)的規(guī)范要求。因此，通航澳大利亞港口并經(jīng)巴拿馬運(yùn)河的散貨船須同時(shí)滿(mǎn)足兩地的系泊拖帶要求。

2系泊設(shè)備的改裝要求

2.1 對(duì)系泊布置的要求

2.1.1 通航巴拿馬運(yùn)河新閘的要求

依據(jù)巴拿馬運(yùn)河新閘對(duì)通航船舶的規(guī)范，分別按船舶的尺寸特征歸為七類(lèi)。設(shè)計(jì)者只需根據(jù)船舶的尺寸特征，按照對(duì)應(yīng)的類(lèi)別進(jìn)行選型與配置，從而滿(mǎn)足船舶通航巴拿馬運(yùn)河新閘的要求，具體分類(lèi)見(jiàn)表1所列：

2.1.2 通航澳大利亞某港口的要求

（1）黑德蘭港口的要求

依據(jù)CCS技術(shù)通告（2018年）第19號(hào)總第345號(hào)“關(guān)于澳大利亞黑德蘭港系泊設(shè)備新要求的通告”;該港口僅針對(duì)120，000DWT的好望角型船舶，要求其在船尾中心或中線(xiàn)附近處設(shè)有用于拖帶的帶纜樁及導(dǎo)纜孔，安全工作負(fù)荷為不小于120t?？紤]此點(diǎn)與通航巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范要求中的A點(diǎn)位置重合，故采用同一帶纜樁及導(dǎo)纜孔，滿(mǎn)足系泊64t、拖帶120t的要求。

（2）PPA港口的要求

以達(dá)爾林普爾灣煤炭運(yùn)輸港為例，其通告要求用于綁拖的帶纜樁及導(dǎo)纜孔安全工作負(fù)荷為65t?？紤]通航巴拿馬運(yùn)河新閘要求中的E、F、H點(diǎn)可以滿(mǎn)足以上要求，而C、D點(diǎn)及首尾A點(diǎn)位置適當(dāng)微調(diào)也可滿(mǎn)足以上要求，故將C、D點(diǎn)及首尾A點(diǎn)的系泊安全工作負(fù)荷由64t提高到65t。

2.2系泊設(shè)備的選擇與定位

180000DWT散貨船的主要尺度如下：

根據(jù)以上主要參數(shù)，本船符合巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范類(lèi)別中的第七類(lèi)（見(jiàn)表1）。故考慮優(yōu)先順序?yàn)椋?/p>

（1）優(yōu)先使用原船上的帶纜樁及導(dǎo)纜孔，滿(mǎn)足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范的系泊配置要求;

（2）盡量避免在底下有大油艙的甲板面上改裝或新增系泊件;

（3）改裝時(shí)避開(kāi)甲板上透氣管、液壓油管、舷梯等設(shè)備;

（4）圖1中H點(diǎn)帶纜樁及導(dǎo)纜孔，需設(shè)計(jì)在本船錨臺(tái)與船中的扇形范圍內(nèi);

（5）圖1中的C點(diǎn)（SET 1）及D點(diǎn)（SET 4）的位置需設(shè)計(jì)為絞車(chē)主卷筒能夠通過(guò)導(dǎo)向?yàn)槠涮峁﹦?dòng)力。

為此，分別對(duì)船艏、船艉兩個(gè)部分進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，如圖2和圖3所示（圖示為左舷，右舷與左舷對(duì)稱(chēng)）：

船艏部分：

（1）巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范A點(diǎn)：帶纜樁和導(dǎo)纜孔搭配應(yīng)用于系泊，安全工作負(fù)荷為65t;艏樓甲板FR327處，原船導(dǎo)纜孔為BC500;艏樓甲板FR320處，原船帶纜樁為DN560。兩者位置及載荷，均滿(mǎn)足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范要求;

（2）巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范H點(diǎn)：帶纜樁和導(dǎo)纜孔搭配應(yīng)用于拖帶，安全工作負(fù)荷為90t;艏樓甲板FR320處，左右舷新增帶纜樁A 500A;艏樓甲板FR324處，左右舷新增（舷墻式）導(dǎo)纜孔B450X250X428，兩者位置及載荷，均滿(mǎn)足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范要求，亦滿(mǎn)足澳大利亞PPA港口要求;

（3）巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范C點(diǎn)：帶纜樁和導(dǎo)纜孔搭配應(yīng)用于系泊，安全工作負(fù)荷為65t;艏樓甲板FR309+300處，原船帶纜樁為DN630;艏樓甲板FR311處，左右舷新增（甲板式）導(dǎo)纜孔A400X250X381。兩者位置及載荷，均滿(mǎn)足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范要求;

（4）巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范E點(diǎn)：帶纜樁和導(dǎo)纜孔搭配應(yīng)用于拖帶，安全工作負(fù)荷為90t;主甲板FR268+400處，原船帶纜樁DN630;主甲板FR271處，原船導(dǎo)纜孔DS A2-425X280。兩者位置及載荷，均滿(mǎn)足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范要求，亦滿(mǎn)足澳大利亞PPA港要求。

船艉部分：

（1）巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范F點(diǎn)：帶纜樁和導(dǎo)纜孔搭配應(yīng)用于拖帶，安全工作負(fù)荷為90t;主甲板FR13處，左右舷各新增一個(gè)帶纜樁A 500A;主甲板FR14處，左右舷各新增一個(gè)（甲板式）導(dǎo)纜孔A450X250X428。兩者位置及載荷，均滿(mǎn)足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范要求，亦滿(mǎn)足澳大利亞PPA港要求;

（2）巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范D點(diǎn)：帶纜樁和導(dǎo)纜孔搭配應(yīng)用于系泊，安全工作負(fù)荷為65t;主甲板FR2處，左右舷各新增一個(gè)（甲板式）導(dǎo)纜孔A400X250X381;主甲板FR4-150處，原船帶纜樁DN630。兩者位置及載荷，滿(mǎn)足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范要求;

（3）巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范H點(diǎn)：帶纜樁和導(dǎo)纜孔搭配應(yīng)用于拖帶，安全工作負(fù)荷為90t;主甲板尾部，左右舷各新增一個(gè)（甲板式）導(dǎo)纜孔A450X250X428;主甲板FR-2+400處，原船帶纜樁DN630。兩者位置及載荷，滿(mǎn)足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范要求，亦滿(mǎn)足澳大利亞PPA港要求;

（4）巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范A點(diǎn)：帶纜樁和導(dǎo)纜孔搭配應(yīng)用于系泊，安全工作負(fù)荷為65t;當(dāng)應(yīng)用于拖帶時(shí)，安全工作負(fù)荷為120t;主甲板尾部FR-2處，原帶纜樁DN630;主甲板尾部，原船導(dǎo)纜孔DS A2-600X320，原設(shè)計(jì)安全工作負(fù)荷148t，可以滿(mǎn)足要求，不必進(jìn)行計(jì)算;以上兩者位置及系泊載荷，滿(mǎn)足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范要求，其拖帶載荷亦滿(mǎn)足澳大利亞黑德蘭港口對(duì)于120000DWT以上的散貨船尾部拖帶的要求。

3系泊改裝區(qū)域有限元計(jì)算分析

根據(jù)規(guī)范改裝后，由系泊設(shè)備布置圖分析得出：艏部A點(diǎn)（帶纜樁）、H點(diǎn)（帶纜樁/導(dǎo)纜孔）、C點(diǎn)（導(dǎo)纜孔）、E點(diǎn)（帶纜樁），以及艉部A點(diǎn)（帶纜樁）、H點(diǎn)（帶纜樁/導(dǎo)纜孔）、D點(diǎn)（導(dǎo)纜孔）、F點(diǎn)（帶纜樁/導(dǎo)纜孔）需要進(jìn)行船體支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，因此采用商用軟件MSC.Patran/ Nastran對(duì)船體結(jié)構(gòu)建立有限元模型及計(jì)算分析。

3.1坐標(biāo)系

為了方便有限元模型的建立，全局坐標(biāo)系均位于甲板上表面，其方向如下：X軸沿船體縱向方向，指向船艏;Y軸沿船體橫向方向，指向左舷;Z軸沿船體垂向方向，垂直甲板向上。

3.2材料特性

甲板板架結(jié)構(gòu)采用CCS- A級(jí)鋼構(gòu)成，計(jì)算中材料的物理特性參數(shù)如下：

彈性模量 E= 2.06×1011 N/m2;泊松比? μ= 0.3;屈服點(diǎn)s=235Mpa;密度? ρ= 7.85 t/m3。

另外，根據(jù)中國(guó)船級(jí)社規(guī)范要求，系泊拖帶計(jì)算時(shí)，各個(gè)構(gòu)件凈尺寸須去除2mm的腐蝕余量。

3.3載荷工況

根據(jù)規(guī)范，系泊所受最大外力為船用配件SWL的1.15倍，拖帶所受最大外力為船用配件SWL的1.25倍，載荷施加方式為纜繩實(shí)際出繩和極限出繩方向，載荷的受力點(diǎn)均取設(shè)備的實(shí)際高度。在有限元模型中，所有的載荷以MPC多點(diǎn)約束單元中REB2剛性單元施加到帶纜樁與導(dǎo)纜孔的受力點(diǎn)位置。在選項(xiàng)卡中，Independent Node為載荷的受力點(diǎn)，Dependent Node為連接船體支撐結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)。

3.4邊界條件

在距帶纜樁、導(dǎo)纜孔支撐結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)處的甲板、艙壁、縱桁、強(qiáng)橫梁邊界處，限制x、y、z三個(gè)方向的平動(dòng)自由。

3.5有限元模型

建立了三個(gè)有限元模型，分別為艏樓甲板模型、舯部主甲板模型以及艉部主甲板模型，如圖4～6所示。隨后，對(duì)帶纜樁和導(dǎo)纜孔進(jìn)行了簡(jiǎn)化建模，完成有限元計(jì)算強(qiáng)度分析。

3.6應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)

板單元的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，包括單元各節(jié)點(diǎn)及參考點(diǎn)上的及等。本文采用Mises合成應(yīng)力，按下式計(jì)算：

根據(jù)CCS規(guī)范 （2018年版），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。

3.7結(jié)果分析

依據(jù)上述計(jì)算分析，經(jīng)局部加強(qiáng)后，甲板下的支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 小結(jié)

巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范對(duì)大型散貨船系泊件的布置有一定要求。本文以通航巴拿馬運(yùn)河相關(guān)規(guī)范為前提，以一艘180000DWT大型散貨船為基礎(chǔ)，對(duì)其系泊布置進(jìn)行了改裝設(shè)計(jì)，闡述了系泊設(shè)備的具體布置、選型以及船體支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，并通過(guò)前期的設(shè)備安全工作負(fù)荷的校核使其在一次改裝中能夠同時(shí)滿(mǎn)足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范、澳大利亞黑德蘭港、PPA港三個(gè)重要交通樞紐的要求，保證船舶順利通航各港口和運(yùn)河，降低船舶經(jīng)濟(jì)成本，大大提高船舶營(yíng)運(yùn)效益。

參考文獻(xiàn)

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