54 000 DWT散货船船体拖带与系泊设备支撑结构的有限元强度分析

谭银朝，刘国平，李国强

（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山　316022）

·研究简报·

54 000 DWT散货船船体拖带与系泊设备支撑结构的有限元强度分析

谭银朝，刘国平，李国强

（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山316022）

依据54 000 DWT散货船的拖带与系泊设备布置，在船首、船中、船尾选择几个典型的带缆桩、拖桩、导缆孔等结构，将上述等结构，逐个用通用有限元软件MSC/PATRAN进行构建模型，然后再用MSC/NASTRAN进行相关有限元强度计算，最后，对得到的的结果进行了分析与校核。经有限元分析计算得到的结论可以为以后船舶类似支撑结构的设计及优化提供一定的参考。

船体拖带；系泊设备；强度分析与校核

在世界经济高速发展的今天，航运作为最实惠的运输方式，其高速发展的势头也被带动了起来，其中最受欢迎的船舶类型便是散货船，因此它的需求量越来越大。然而，一直以来，散货船的折损问题也一直是船东们一笔损失。众所周知，船舶的拖带与系泊是船舶营运过程中的常用工况，但是此时船体支撑结构与系泊设备受力较大，如果此处的结构强度达不到标准，很容易造成事故，经常会对人身以及财产的安全造成严重的威胁。所以，根据中国船级社通函的要求，需针对性的对此以及其附近的结构进行有限元强度分析［1］。

船上的拖桩、拖缆孔、导缆器等设备，受力最大的时候，莫过于船舶进行拖带、系泊作业的时候。对各拖带以及系泊设备进行一定的强度校核，能有效提高船舶拖带与系泊过程中的安全系数。只要在船舶拖带以及系泊作业工况下，确保拖带和系泊设备能够承受住相应符合，其他工况一般便不需再考虑。因此，也只需要对拖带和系泊设备支撑结构进行建模、计算、强度分析与校核等。

分析时要考虑两种工况，即拖带工况和系泊工况，而具体的拖带和系泊方式，可能会导致作用在拖带和系泊构件上的载荷不同。由于在船体拖带与系泊的情况下，此处的结构受载同样有差别。然而在计算过程中，为确保安全，我们需要进行的强度校核计算，是对拖带以及系泊结构破坏最大的受载工况［2］。计算得出的结论将会对以后散货船相关结构的设计及其强度分析具有一定的参考意义。

1　有限元模型的建立

图1　各模型在船体上的分布图Fig.1　The distribution diagram on the hull of each model

1.1模型分布

本船拖带与系泊设备按照中国船级社规范及船东要求配备，系泊部分有各类带缆桩12个，拖带部分有2个拖桩。甲板结构的横梁和纵桁相对来说属于强构件，把以上设备尽量均匀的布置在横梁和纵桁上，可以使拖带和系泊设备上的复合得到均匀有效的分布。其配备分布如图1所示。

1.2坐标系及量纲

建立模型以及计算的整个过程中，涉及到的单位统一用国际标准单位制，涉及到的坐标统一以右手笛卡尔坐标系：

a）轴指向船艏；

b）轴指向左舷侧；

c）轴沿船体垂直甲板向上。

1.3材料特性

结构采用“中国船级社-A”级钢构成。计算时，材料的物理特性参数取值如下：

弹性模量：E=2.06×1011N/m2

泊松比：μ=0.26

屈服点：σS=235Mpa

密度：ρ=7.85 t/m3

1.4模型建立

1.4.1系泊部分

本船系泊设备按中国船级社规范及船东要求配有各类带缆桩12个。由于结构与载荷的对称性，在船首、船中、船尾各选择1个有代表性的带缆桩分别建立模型计算；带缆桩和导缆滚轮布置及对应的模型编号如图1所示。

模型4是首部带缆桩，位于肋位229至肋位232之间，总体坐标系位于首楼甲板上表面。如图2、图3所示。

模型5是中部带缆桩，位于肋位125至肋位127之间，坐标系位于首楼甲板上表面。如图4、图5所示。

模型7是尾部带缆桩，位于肋位2至肋位5之间。坐标系位于首楼甲板上表面。如图6、图7所示。

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

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

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

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

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

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

1.4.2拖带部分

拖带部分有2个拖桩，分别布置在首部船中位置和尾部船中位置。模型1是首部拖桩，模型9是尾部拖桩。其模型如图8～11所示。

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

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

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

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

1.5边界条件

在舱壁和距带缆桩、拖桩较远处的纵桁、强横梁等模型的边界处限制x、y、z三个方向的平动自由［3］。

1.6载荷工况

1.6.1舾装数

计算过程中，舾装数按照以下公式计算［4］：

其中：Δ——夏季载重线以下的型排水量，单位为吨（t）；

B——船宽，单位为米（m）；

H——夏季载重水线到最上层舱室顶的有效高度，单位为米（m）；

A——在船长L范围内，夏季载重水线以上的船体以及上层建筑和各层宽度大于B/4的甲板室部分的侧投影面积的总和，单位为平方米（m2）。

要得到系索和拖索的设计负荷，需要根据三个数据。一是：船舶舾装数，二是：《船级社规范》中相应要求。三是：系索以及拖索的公称破断强度。

1.6.2载荷考虑

（1）确定设计中系泊、拖带操作时负荷的数值。

我们可以得到舾装数EN规定的系索和拖索的公称破断负荷，此时的设计数值便取系索和拖索的公称破断负荷的1.25倍。

（2）设计负荷施加的方式。

通过依据系泊与拖带布置图显示布置的系索与拖索进行施加。

1.6.3载荷施加方法。

在有限元计算中，所有的计算载荷都通过MPC单元的REB2施加到带缆桩、拖桩受力高度的中心位置。其中，Independent Node为力的作用点；Dependent Node［5］为系泊设备连接船体结构的节点。

2　有限元计算结果及分析

2.1应力标准

板单元的应力计算，包括单元各节点和参考点上的（σx，σy，τ）及σE等。笔者采用Mises合成应力。按照如下公式进行计算：

式中许用应力取［σ］=235.0 MPa。

根据中国船级社《钢质海船入级规范》（2012年版）第2分册，船体部分相关章节的规定，船体支撑结构构件的组合应力许用应力等于100%材料的屈服应力即235.0MPa。

2.2计算结果及分析

根据以上章节对船体拖带与系泊设备建立的有限元分析模型，并且根据规范对其进行了计算与分析。本54 000 DWT散货船船体拖带与系泊设备支撑结构的有限元强度计算结果见表1。

表1　54 000 DWT散货船船体拖带及系泊支撑结构有限元计算数据Tab.1　The date of strength analysis for reinforcement of towing and mooring equipment of 54 000 DWT bulk carrier based on finite

系泊工况下，带缆桩会承受系索通过导缆孔以及导缆滚轮产生的拉力，在船艏FR229～FR232处的带缆桩（模型4）附近的甲板上产生了较大的应力，如图12所示。由计算结果可知，产生最大的相当应力值为，相应的最大变形值为。

拖带工况下，尾部拖桩（模型9）上的受力最为集中。具体，受力较大的区域集中在尾部拖桩处的船体结构上。由计算结果可知，板架最大相当应力值为，相应的最大变形值为。

模型4与模型9的最大应力云图与最大变形图分别见图12～15。

对支撑结构的应力结果分析可知，其结构强度全部满足中国船级社关于船体拖带及系泊支撑结构的强度要求。

图12　模型4合成应力云图（MPa）Fig.12　Synthetic stress cloud of model 4（MPa）

图13　模型4的变形图（mm）Fig.13　Deformation map of model 4（mm）

图14　模型9的合成应力云图（MPa）Fig.14　Synthetic stress cloud of model 9（MPa）

图15　模型9的变形图（mm）Fig.15　Deformation map of model 9（mm）

3　总结

以上计算结果表明，在船舶进行系泊与拖带作业工况下，拖桩结构、系泊设备以及附近的船体结构就会产生较大的受载。所以，必须保证承受较大受载区域的拖桩、船体等结构具有足够大的强度，才能提高船舶拖带与系泊作业过程中的安全系数。如果需要，还须在局部需要加强强度的结构上采用高强度钢。比较中国船级社对此相规范的要求，此船的拖带及系泊支撑结构强度均已达到标准。系泊工况时首部带缆桩区域结构应力较大，拖带工况时尾部拖桩区域结构应力较大，实际作业时应加以注意。

［1］中国船级社.MSC/Circ.1875通函［S］.2004.

［2］顾俊.基于有限元的25000吨成品油船船体拖带及系泊支撑结构强度分析［J］.青岛远洋船员职业学院学报，2012，33（2）：10-13.

［3］王亮，张猛.55 000 DWT成品油/原油轮系泊加强结构有限元分析［J］.广船科技，2012（1）：3.

［4］中国船级社.钢制海船入级规范［S］.北京：人民交通出版社，2012.

［5］谢永和，王伟.散货船横向强度有限元分析［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

谭银朝（1989-），男，山东莘县人，硕士研究生，研究方向：船舶与海洋工程.E-mail：tanyinchao8888@126.com

刘国平，教授.E-mail：liuguoping88@sohu.com