62m沿海客船首部锚泊系泊设备加强结构设计与仿真计算

吴猛 李明明 张艳君

摘    要：由于锚泊系泊设备作业条件变数多，致使船舶在该区域的结构受力较为复杂，因此对该区域船体的加强结构设计和强度分析应当重点关注。本文以一艘62m沿海客船为研究对象，重点阐述了其首部锚泊系泊设备区域船体加强结构设计与有限元仿真计算。通过对锚泊系泊设备各作业工况的受力分析与计算，并基于计算结果进行优化设计，使其最终结构强度满足规范要求。

关键词：锚泊系泊；加强结构；有限元

中图分类号：U663.7                                文献标识码：A

Reinforced Structure Design and Simulation Calculation of Mooring Equipment for 62 m Coastal Passenger Ship Forcastle Mooring

WU Meng，  LI Mingming，  ZHANG Yanjun

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation，  Guangzhou 510250 ）

Abstract： Due to the complexity of the arrangement and operation of mooring equipment， the structural force of ships in this area is more complex. Therefore， the design and strength analysis of the strengthened structure of the hull in this area should be paid more attention to. In this paper， a 62 m coastal passenger ship is taken as the research object， and the whole process of structural strengthening design and finite element simulation optimization of the hull of the forcastle mooring equipment area is described. Through the calculation and analysis of various operating conditions of mooring equipment， the calculation results show that the structural strength of the optimized area meets the requirements of therule. Finally， relevant conclusions are presented for the design and simulation of mooring reinforcement structure in mooring area.

Key words： mooring;  reinforced structure design;  finite element

1     引言

锚泊和系泊设备是服务于船舶停泊和停靠的重要设备，该类设备在作业时使船舶相关区域的的结构构件受力较大，而易损坏引起船舶的安全问题。近年来，由于船舶锚泊和系泊设备区域结构构件強度问题造成的船舶损坏事故时有发生，因此，为了保障船舶的安全性和可靠性，对锚泊和系泊设备所在区域的船体结构进行强度分析并做相应加强十分必要。

2    系泊及锚泊设备加强结构设计方案

本船首部锚泊设备设一台兼有系泊绞车作用的起锚机和两套掣链器（左右舷各一套）；系泊设备设有立式滚轮三套（左右舷各一套、船中FR94处一套）、系缆桩四套（左右舷各两套）、导缆孔四套（左右舷墙内嵌各两套及首部船中位置一套）以及一套应急拖带装置。其布置如图1所示。

依据锚泊系泊设备布置图在相应的船舶结构图中确定出各设备的具体位置，参照中国船级社《国内航行海船建造规范》（2021）[1-2]（以下简称《规范》）的有关要求，有针对性地对各设备所处位置的船体结构进行分析和必要的加强。其方案有：对于起锚设备考虑其自身设备重量以及作业时所受拉力均较大，因此在设计其基座时应当对构件适当加强，且在其基座相应位置底部的甲板反面增加强桁材予以支撑，从而保证所影响区域的结构强度以及设备的安全作业；对于系缆桩优先考虑布设在强结构的位置，必要时可以沿其四个侧壁在主甲板的反向增加加强构件，根据其所受力的大小综合考虑采用角钢或者T型桁材。对于立式滚轮，可在其与甲板接触点的反面增加纵向和横向两条强桁材形成“十”字形，有利于各方向上的力传递。

锚泊系泊设备加强结构设计方案如图2所示。

3    首部系泊及锚泊设备结构有限元仿真

3.1   有限元模型与边界条件

3.1.1 有限元模型

本仿真借助通用有限元软件PATRAN进行建模和计算。对锚泊系泊设备受力所影响的船体区域进行建模，有限元模型范围：长度X方向从FR85至船首，宽度Y方向从右舷至左舷，高度Z方向从主甲板至驾驶甲板。其中，导缆孔内嵌于二层甲板与驾驶甲板之间的舷墙上。

船舶锚泊系泊设备加强结构材料采用船用低碳钢（CCS-A），钢材的密度为7 850 kg/m3、弹性模量E为2.06×1011 N/m2、泊松比为0.3、屈服强度为235 MPa。结构构件尺寸按结构图纸标注尺寸建模，但按照《规范》应当考虑2 mm的腐蚀余量，即按各构件的厚度均按实际厚度减小2 mm建模。

参照《规范》对模型的具体要求，网格大小取约1/4肋骨间距；支撑结构周围区域网格适当加密，以反映设备支撑结构的实际分布[3]。板材及强桁材的腹板采用板单元模拟，骨材及强桁材的面板采用梁单元模拟。其中，梁单元是具有轴向、扭转、双向剪切和弯曲刚度的两节点单元，板单元是具有面内刚度和面外弯曲刚度的三节点或四节点单元[5]。

3.1.2 边界条件

确定边界条件以不影响中心区域的计算结果为原则。本计算中对整个模型的上部边缘、底部边缘以及FR85肋位边界处进行刚性固定约束，即节点的U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0。

3.2    计算载荷

结合《规范》要求，沿海客船首部系泊及锚泊设备结构加强计算主要考虑下列载荷。

3.2.1  自重载荷

船体结构及设备的自重通过重力加速度施加，即g=9.81 m/s2。其中，首部锚机的质量为2 000 kg，不可忽略。锚机重量用质量点予以模拟，其位置在锚机设备的重心处。

3.2.2 系泊时立式滚轮及导缆孔受到的载荷

根据实际设备选型，本船系船索的破断力为107 kN。由《规范》3.6.4.3（1）可知，作用于立式滚轮及船体支撑结构的设计负荷为系船索破断力的1.15倍，即1.15×107 kN=123.05 kN。

由《规范》3.6.3.3（5）设计载荷应根据拖带与系泊布置图中的布置，各种可能出现的方向施加于配件。当拖索在配件处转向，作用在配件上的设计载荷应为拖索设计载荷的合力，但不会超过 2 倍的拖索设计负荷，如图3所示。导缆孔根据系索布置计算载荷分量的合成力[4]。

本计算所施加的载荷是由锚泊系泊设备所受的力分解到三个坐标轴，然后再合成为一个合力。各立式滚轮及导缆孔所受力的大小详见设计工况表1。

3.2.3 系缆桩受到的载荷

与立式滚轮及导缆孔相同，作用于系缆桩及船体支撑结构的设计负荷为系船索破断力的1.15倍，即1.15×107=123.05 kN。

根据本船锚泊系泊设备布置图，其系缆桩的实际参数及工作状况可知，力的作用点与甲板的距离为0.325 m。力的作用点通过MPC与船体结构的相关点相连接。

3.2.4 锚泊时掣链器及锚机受到的载荷

根据锚泊系泊设备布置图，本船所选择的锚链为GB/T 549-2008 AM3-26，其破断载荷为556 kN。由《规范》3.7.2.3可知，校核掣链器时设计载荷取锚链最小破断载荷的80%，即0.8×556 kN =444.8 kN；校核锚机（带掣链器）时，设计载荷取锚链最小破断载荷的45%，即0.45×556 kN =250.2 kN。

掣链器的实际参数及工作状况可知，掣链器合力的作用点与甲板的距离为0.478 m；锚机合力作用点与甲板最大距离为0.86 m。力的作用点通过MPC与船体结构的相关点相连接。

3.2.5 拖航时拖索的拖力

根据锚泊系泊设备布置图，本船所选拖索的破断力为250.1 kN。结合实际作业状况可知，拖带眼板所受合力的作用点与甲板的距离为0.174 m，合力的作用点通过MPC与船体结构的相关点相连接。

3.3   计算工况与校核衡准

3.3.1 计算工况

由于本船首部锚泊系泊区域的结构和设备大部分左右舷对称，只有少数设备非对称，因此本计算选取左舷的锚泊系泊设备进行强度计算并单独对非对称设备可能使用的情况进行强度校核，结合《规范》的要求和锚泊系泊设备各工况的受力情况进行分析，针对性地假设了28个计算工况。现列出其中5个工况设计案例，如表1所示。

3.3.2 校核衡准

根据《规范》3.7.2.7规定，各种工况下支撑结构和基座的计算应力应不大于表2中的许用应力值。

3.4  计算结果及应对措施

对上述各工况进行计算，得出计算结果。其中，大部分工况下的计算结果均满足结构强度要求，而部分工况下的计算结果不满足结构强度要求，如掣链器与主甲板连接区域的结构应力值超过235 MPa。为了降低此处结构的应力值，采取了加大构件尺寸和加厚构件板厚的措施，同时对掣链器的加强构件在锚链筒处的连接方式由折角型改为圆弧型，使其力学性能更加科学合理。经过优化设计后，其结构应力降低为200 MPa左右，满足规范要求。对于锚机区域，由于船体结构本身较为复杂，有限元模型的网格划分质量参差不齐，部分计算结果突变偏大。经检查发现该区域有限元網格质量较差，出现有部分尖角网格或者相邻网格大小差异大的情况。在尖角网格处对构件进行了重新布置，避免构件间尖角的出现从而改善网格质量，而在网格大小差异大的区域采用过渡网格从小网格过渡到大网格的措施，使网格质量大为改善，优化设计后的计算结果比较理想。本船通过计算与设计改进相结合，其首部锚泊系泊区域结构构件的强度均满足《规范》要求。具体的计算结果汇总如表3所示（仅列举其中3个工况的计算案例）。

4    结论

本文基于规范要求，对62 m沿海客船首部锚泊系泊区域的船体结构和设备加强结构进行有限元计算分析，并根据计算结果对加强结构进行优化设计。在此提出以下建议：

1）在进行锚泊系泊区域的加强结构设计时，应尽量使加强结构与设备在甲板处的受力构件对齐，并使加强结构尽量连接至船体结构的强桁材或者舱壁等强结构处，以利于力的传递；

2）对于计算结果不满足强度要求的结构区域，可能是有限元网格划分不合理导致。例如，本计算中锚机基座处的网格出现夹角过小的情况致使其计算结果突变。因此，网格划分应当科学合理，尽量避免尖角等不合理网格的出现；

3）对于受力较大的区域，在进行结构设计时应提前考虑该区域的结构加强。例如，位于掣链器区域结构的应力较大，设计时应适当增大相应区域的加强构件的尺寸和板厚，或者改变其连接形式，使结构布置更为合理。

参考文献

[1] 国内航行海船建造规范[S]．北京：中国船级社， 2021．

[2] 关于执行MSC/Circ.1175 通函的通知[S]．北京：中国船级社， 2005．

[3] 王轩，黄涣青．某沿海双体客船系泊锚泊支撑结构设计[J]．广东造船， 2020 （02）．

[4] 谢大建．系泊设备下船体支撑结构的强度校核[J]．船海工程， 2012（03）．

[5] 王佳鑫．某半潜运输船定位桩设备加强结构有限元分析[J]．广东造船， 2021（06）．

基金项目：中国船舶集团有限公司悬链式单点系泊系统核心部件研制（202130ZZ）

作者简介：吴  猛（1984- ），男，高级工程师。主要从事船舶与海洋工程设计与研究工作。

李明明（1985- ），女，工程师。主要从事船舶结构设计工作。

收稿日期：2022-12-01