基于有限元分析的港作拖轮拖桩结构分析

劳卓文+石国权+汪勇

摘 要：港作拖轮的拖桩结构受力复杂，按照力学公式计算其应力比较困难，本文通过实例介绍基于仿真有限元方法对港作拖轮拖桩结构进行分析和校核的过程。

关键词：港作拖轮；拖桩；仿真有限元；强度校核

中图分类号：U674.32 文献标识码：A

Abstract： It is difficult to calculate the stress of towing post and its supporting structures of a harbor tug by the method of mechanics formula because they withstand the complex forces at the towing operation. This paper introduces the structural analysis and checking for the towing post and its supporting structure based on finite element simulation through an example.

Key words： Harbor tug； Towing post； Finite element simulation； Strength checking

1 前言

随着海洋作业的发展，船舶在不断加巨，进出港时对港作拖轮的拖力要求也越来越大。港作拖轮的拖力需求由十几年前的40 t提升到今天的80 t，甚至100 t的拖力。随之，对于拖曳设备和其支承结构的强度要求也越来越高，通过有限元仿真分析来获得拖曳支承结构的应力分布，对于结构的合理布置与优化是十分必要的。

本文结合实例介绍通过基于仿真有限元平台分析静力结构来获得应力分布结果的方法和过程，实船是一艘入级LR船级社的25 m ASD港作拖轮，船主需求其向前的最大系柱拖力为75 t。根据LR船级社规范的要求，拖桩必须能承受拖钩的破断负荷而不被破坏。

2 基本假定

为完成结构的分析，我们作以下几点假定：

（1）薄壁壳板假定 （平面应力假定）

当钢板材料用于结构构造时，它的厚度远薄于其他的尺寸，而且也没有遭受到垂直于板面的负荷时，这些结构大体上可以被当作薄壁壳板处理。在分析模型里，对所有的支撑结构一般都应用为2D薄壁壳单元，但当薄壁壳板假定理论不适用（板厚相对不够薄时）的结构部位将会采用3D单元代替。

（2）次要的扶强材和肘板

在模型中省略那些对于应力传递影响较小的扶强材和肘板，但对于关键位置的扶强材和肘板不能省略，否则会影响应力分布的结果。

（3）结构設计载荷

根据LR船级社关于拖曳系统支承结构的的规定，采用225 t设计载荷（3倍于系柱拖力）来分析拖桩的结构。因为所有的结构都是线性弹性材料，在分析应力结果时可以按照线性比例的方法得出结构可以承受的最大载荷。

（4）节点的连接

应力结果不涉及焊缝强度方面的分析，因为所有的结构都是采用粘贴的方式或节点共享的方式连接所有的零件间的节点，零件间有足够的焊缝强度。

（5）受力载况的设定

按照拖曳布置图和实际的使用情况，由于篇幅问题，本文只介绍拖缆力作用在方向向后一种受力载况。

3 实例分析

现简述基于仿真有限元平台分析拖桩结构，按照以下几个步骤进行。

3.1 建立结构模型

在模型里，所有零件都按照设计图的结构尺寸由薄壁壳板建立，而后再指定厚度属性（相同的板厚使用相同的颜色表示）。其中管桩的薄壁壳板按照外径建立，其厚度指向向内。

3.2 指派结构材料属性

拖桩支承结构由3种不同的材料组成：为A级钢、AH32高强钢和355 Mpa高强结构管，所有材料的属性参照LR船级社的材料与焊接规范。在计算模型里，将统一指派A级钢的材料属性给所有的结构零件，但在验证最大应力时则需要对应各个材料的许用应力。

3.3 取得许用应力

根据LR船级社规范里关于拖曳支撑结构的许用应力规定如下：

各种材料许用应力见表1。

3.4 模型的网格划分

有限元模型中网格划分分别采用了Shell181“4节点线性三角形”和“4节点线性四边形”的壳单元，单元大小均约为50 mm，模型的网格划分见图4。

3.5 添加边界约束

模型中的各个结构边界（包括图中的支柱下端）均终止于与其他强力结构的连接处，因此可以在这些地方分别添加简支边界约束，约束边界见图5。

3.6 指派载荷

225 t载荷加载在拖钩的两个连接眼板上，这些眼板的销孔之间需要预先添加插销连接限位设定，见图6、图7。

3.7 结果分析

（1）结构位移结果分析

结果显示，最大的位移3.8 mm出现在拖桩结构的顶部，由于目前对于结构位移尚没有严格的位移验证标准，所以此小范围弹性位移的结果是可以接受的，见图8。

（2）结构等效应力结果分析

各种材料的等效应力分析结果。在仿真有限元中经常会出现少量的应力非常高和集中的的点，这种现象被称为应力热点效应，如图9～11所示，大家需要谨慎的把这些应力热点过滤掉，然后取得真实最大的应力结果。

（3）校核验证

依照以上的结构计算分析结果（见表2），我们可以得出结论：该拖桩和其支承结构在设定的受力载况下是安全的。

（4）小结

通过本文的例子，不难看出应用仿真有限元分析后，对于结构应力的分布结果一目了然。针对应力集中的地方进行加强；或对应力小的部位进行结构优化，在满足船级社的要求下可适当减小和节省材料。本文对于需要进行其他位置的局部结构强度分析计算的，也有非常实用的参考价值。

参考文献

[1] Shigley， J.， Mischke， C.， and Budynas， R. Mechanical Engineering Design， Seventh Edition （2004）.

[2] Lloyds Register， Rules and Regulations for the Classification of Ships， July 2015.