大型散货船通航巴拿马运河和澳大利亚港口的船体系泊改装设计

王武 刘健龙 彭善辉 桂秋璐

摘  要：本文以180000DWT散货船为例，对于通航巴拿马运河新闸及澳大利亚港口的散货船，依据巴拿马运河新闸规范和中国船级社（CCS）规范要求，对超过120000DWT的大型散货船系泊设备及其船体支撑结构进行改装设计，并利用商用软件MSC.Patran/MSC.Nastran对改装区域的结构进行强度分析，可供有关船舶设计人员价值。

关键词：  巴拿马运河新闸;澳大利亚;系泊改装;船体支撑结构;有限元分析;强度校核

中图分类号： U662.2                文献标识码：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

巴拿马运河自1914年通航以来，已成为全球重要航道。由于通过巴拿马运河的船舶，需借助外力的牵引，因此巴拿马当局制定了通航巴拿马新闸的规范要求（包括带缆桩、导缆孔、拖带负载等）。此外，澳大利亚是煤炭、铁矿石等散货出口大国，澳大利亚港口亦有相应的规范要求。因此，通航澳大利亚港口并经巴拿马运河的散货船须同时满足两地的系泊拖带要求。

2系泊设备的改装要求

2.1 对系泊布置的要求

2.1.1 通航巴拿马运河新闸的要求

依据巴拿马运河新闸对通航船舶的规范，分别按船舶的尺寸特征归为七类。设计者只需根据船舶的尺寸特征，按照对应的类别进行选型与配置，从而满足船舶通航巴拿马运河新闸的要求，具体分类见表1所列：

2.1.2 通航澳大利亚某港口的要求

（1）黑德兰港口的要求

依据CCS技术通告（2018年）第19号总第345号“关于澳大利亚黑德兰港系泊设备新要求的通告”;该港口仅针对120，000DWT的好望角型船舶，要求其在船尾中心或中线附近处设有用于拖带的带缆桩及导缆孔，安全工作负荷为不小于120t。考虑此点与通航巴拿马运河新闸规范要求中的A点位置重合，故采用同一帶缆桩及导缆孔，满足系泊64t、拖带120t的要求。

（2）PPA港口的要求

以达尔林普尔湾煤炭运输港为例，其通告要求用于绑拖的带缆桩及导缆孔安全工作负荷为65t。考虑通航巴拿马运河新闸要求中的E、F、H点可以满足以上要求，而C、D点及首尾A点位置适当微调也可满足以上要求，故将C、D点及首尾A点的系泊安全工作负荷由64t提高到65t。

2.2系泊设备的选择与定位

180000DWT散货船的主要尺度如下：

根据以上主要参数，本船符合巴拿马运河新闸规范类别中的第七类（见表1）。故考虑优先顺序为：

（1）优先使用原船上的带缆桩及导缆孔，满足巴拿马运河新闸规范的系泊配置要求;

（2）尽量避免在底下有大油舱的甲板面上改装或新增系泊件;

（3）改装时避开甲板上透气管、液压油管、舷梯等设备;

（4）图1中H点带缆桩及导缆孔，需设计在本船锚台与船中的扇形范围内;

（5）图1中的C点（SET 1）及D点（SET 4）的位置需设计为绞车主卷筒能够通过导向为其提供动力。

为此，分别对船艏、船艉两个部分进行了详细说明，如图2和图3所示（图示为左舷，右舷与左舷对称）：

船艏部分：

（1）巴拿马运河新闸规范A点：带缆桩和导缆孔搭配应用于系泊，安全工作负荷为65t;艏楼甲板FR327处，原船导缆孔为BC500;艏楼甲板FR320处，原船带缆桩为DN560。两者位置及载荷，均满足巴拿马运河新闸规范要求;

（2）巴拿马运河新闸规范H点：带缆桩和导缆孔搭配应用于拖带，安全工作负荷为90t;艏楼甲板FR320处，左右舷新增带缆桩A 500A;艏楼甲板FR324处，左右舷新增（舷墙式）导缆孔B450X250X428，两者位置及载荷，均满足巴拿马运河新闸规范要求，亦满足澳大利亚PPA港口要求;

（3）巴拿马运河新闸规范C点：带缆桩和导缆孔搭配应用于系泊，安全工作负荷为65t;艏楼甲板FR309+300处，原船带缆桩为DN630;艏楼甲板FR311处，左右舷新增（甲板式）导缆孔A400X250X381。两者位置及载荷，均满足巴拿马运河新闸规范要求;

（4）巴拿马运河新闸规范E点：带缆桩和导缆孔搭配应用于拖带，安全工作负荷为90t;主甲板FR268+400处，原船带缆桩DN630;主甲板FR271处，原船导缆孔DS A2-425X280。两者位置及载荷，均满足巴拿马运河新闸规范要求，亦满足澳大利亚PPA港要求。

船艉部分：

（1）巴拿马运河新闸规范F点：带缆桩和导缆孔搭配应用于拖带，安全工作负荷为90t;主甲板FR13处，左右舷各新增一个带缆桩A 500A;主甲板FR14处，左右舷各新增一个（甲板式）导缆孔A450X250X428。两者位置及载荷，均满足巴拿马运河新闸规范要求，亦满足澳大利亚PPA港要求;

（2）巴拿马运河新闸规范D点：带缆桩和导缆孔搭配应用于系泊，安全工作负荷为65t;主甲板FR2处，左右舷各新增一个（甲板式）导缆孔A400X250X381;主甲板FR4-150处，原船带缆桩DN630。两者位置及载荷，满足巴拿马运河新闸规范要求;

（3）巴拿马运河新闸规范H点：带缆桩和导缆孔搭配应用于拖带，安全工作负荷为90t;主甲板尾部，左右舷各新增一个（甲板式）导缆孔A450X250X428;主甲板FR-2+400处，原船带缆桩DN630。两者位置及载荷，满足巴拿马运河新闸规范要求，亦满足澳大利亚PPA港要求;

（4）巴拿马运河新闸规范A点：带缆桩和导缆孔搭配应用于系泊，安全工作负荷为65t;当应用于拖带时，安全工作负荷为120t;主甲板尾部FR-2处，原带缆桩DN630;主甲板尾部，原船导缆孔DS A2-600X320，原设计安全工作负荷148t，可以满足要求，不必进行计算;以上两者位置及系泊载荷，满足巴拿马运河新闸规范要求，其拖带载荷亦满足澳大利亚黑德兰港口对于120000DWT以上的散货船尾部拖带的要求。

3系泊改装区域有限元计算分析

根据规范改装后，由系泊设备布置图分析得出：艏部A点（带缆桩）、H点（带缆桩/导缆孔）、C点（导缆孔）、E点（带缆桩），以及艉部A点（带缆桩）、H点（带缆桩/导缆孔）、D点（导缆孔）、F点（带缆桩/导缆孔）需要进行船体支撑结构强度校核，因此采用商用软件MSC.Patran/ Nastran对船体结构建立有限元模型及计算分析。

3.1坐标系

为了方便有限元模型的建立，全局坐标系均位于甲板上表面，其方向如下：X轴沿船体纵向方向，指向船艏;Y轴沿船体横向方向，指向左舷;Z轴沿船体垂向方向，垂直甲板向上。

3.2材料特性

甲板板架结构采用CCS- A级钢构成，计算中材料的物理特性参数如下：

弹性模量 E= 2.06×1011 N/m2;泊松比  μ= 0.3;屈服点s=235Mpa;密度  ρ= 7.85 t/m3。

另外，根据中国船级社规范要求，系泊拖带计算时，各个构件净尺寸须去除2mm的腐蚀余量。

3.3载荷工况

根据规范，系泊所受最大外力为船用配件SWL的1.15倍，拖带所受最大外力为船用配件SWL的1.25倍，载荷施加方式为缆绳实际出绳和极限出绳方向，载荷的受力点均取设备的实际高度。在有限元模型中，所有的载荷以MPC多点约束单元中REB2刚性单元施加到带缆桩与导缆孔的受力点位置。在选项卡中，Independent Node为载荷的受力点，Dependent Node为连接船体支撑结构的节点。

3.4边界条件

在距带缆桩、导缆孔支撑结构较远处的甲板、舱壁、纵桁、强横梁边界处，限制x、y、z三个方向的平动自由。

3.5有限元模型

建立了三个有限元模型，分别为艏楼甲板模型、舯部主甲板模型以及艉部主甲板模型，如图4～6所示。随后，对带缆桩和导缆孔进行了简化建模，完成有限元计算强度分析。

3.6应力标准

板单元的应力计算结果，包括单元各节点及参考点上的及等。本文采用Mises合成应力，按下式计算：

根据CCS规范 （2018年版），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。

3.7结果分析

依据上述计算分析，经局部加强后，甲板下的支撑结构强度满足规范要求。

4 小结

巴拿马运河新闸规范对大型散货船系泊件的布置有一定要求。本文以通航巴拿马运河相关规范为前提，以一艘180000DWT大型散货船为基础，对其系泊布置进行了改装设计，阐述了系泊设备的具体布置、选型以及船体支撑结构强度校核，并通过前期的设备安全工作负荷的校核使其在一次改装中能够同时满足巴拿马运河新闸规范、澳大利亚黑德兰港、PPA港三个重要交通枢纽的要求，保证船舶顺利通航各港口和运河，降低船舶经济成本，大大提高船舶营运效益。

参考文献

[1]NT NOTICE TO SHIPPING No. N-1-2020 [S] PANAMA：  PANAMA CANAL AUTHORITY （ACP）， 2020.

[2]CCS技术通告（2018年）第19号总第345号. 关于澳大利亚黑德兰港系泊设备新要求的通告.[S].北京： 人民交通出版社，2018.

[3]中國船级社.钢质海船入级规范（2018）[S].北京： 人民交通出版社，2018.