一種港作拖船艏部托架新型結構

付崇博，馬希軍，魏建慶，童南都，操安喜

(1．上海海事大學 a.商船學院；b.海洋科學與工程學院，上海 201306；2.上海港復興船務公司，上海 201114)

0 引 言

運輸船舶的大型化使得原本可供航行的狹窄水域顯得更加狹小。大型船舶在港口內部的操縱受到很大的限制,因此大型船舶的靠離泊、港內掉頭和進出港等越來越多地依賴于拖船的協作[1-3]。拖船助操是大船能否順利、安全地進行港內操縱的關鍵，拖船作業在港口作業系統中是一個必不可少的部分[4]。本文中的拖船指港作全回轉拖船，主要采用頂推作業方式協靠大船，其艏部托架上的橡膠護舷是拖船與被協靠大船直接接觸的結構。在協靠大船過程中，拖船艏部托架支撐的橡膠護舷頻繁與協靠大船接觸，與協靠大船的碰撞沖擊力極易使承托橡膠護舷的托架結構出現大面積變形失效。因此，艏部托架結構的合理性直接影響拖船的正常作業和返廠維修的頻次，合理的結構設計不僅能延長維修周期、節約維修費用和維修期內的停航費用，而且能使托架建造工藝得到優化。

本文提出一種新型托架結構。通過與原始托架結構的對比研究發現，該結構的強度滿足要求，應力集中現象明顯好轉，且建造工藝得以改進。此結構已用于一條拖船托架的結構設計[5]中。為說明新型托架結構的優勢，本文對新型托架結構和原始托架結構進行有限元計算和對比分析，得到兩種托架結構的應力水平和分布，確定相對較優的托架結構，為拖船托架結構設計提供依據。

1 新型托架結構的提出

托架是拖船主船體外的鋼質結構。對原始托架結構進行有限元分析發現它存在一些缺陷：(1)托架的輪廓線較為平直，存在相對尖角，導致所受碰撞力無法得到有效分散；(2)上面板伸出主船體外側的部分過長，隔板與其連接處存在尖角，該處應力集中現象明顯；(3)圓弧托板變形較為嚴重，托架結構偏弱；(4)受制作工藝的限制，圓弧托板與橫撐板無法焊接，圓弧托板未得到有效支撐，托架各部件間未形成有機整體，不利于碰撞力的分散傳遞。

托架原始結構和實際損壞情況見圖1。本文以原始托架結構為基礎，針對原始結構缺陷，改變托架的結構：(1)優化托架輪廓線，以去除相對尖角，利于碰撞力的均勻分散；(2)縮短上面板伸出主船體外側部分的長度，去除隔板與其連接位置的尖角，以緩解應力集中現象；(3)將主要起傳力作用的隔板、圓弧托板厚度加大，增強托架整體結構強度；(4)在隔板上開人孔，使橫撐板可與圓弧托板焊接，并在橫撐板與上面板之間增加與橫撐板相似的加強材，使托架結構成為有機整體，建造工藝得到優化。

a)原始結構

b)損壞情況

原始托架結構由隔板、圓弧托板、橫撐板、上面板、下面板、橡膠護舷等結構組成，受制作工藝的限制，圓弧托板與橫撐板無法焊接。新型結構隔板厚度增至10 mm且其隔板上開有人孔，開孔側使用規格為10 mm×100 mm扁鋼包邊;圓弧托板厚度增至12 mm;在圓弧托板內側，橫撐板與上面板之間增加規格為12 mm×120 mm扁鋼進行加強;橫撐板的尺寸增大到12 mm×200 mm；上面板向主船體方向縮短55 mm;其余結構與原始結構相同。原始、新型托架結構的剖面圖分別見圖2和3。隔板上所開人孔使得橫撐板、加強材能夠與圓弧托板焊接，優化了建造工藝。為使碰撞力均勻地分散到托架結構上，對托架輪廓進行優化以去除相對尖角，托架輪廓優化前后對比見圖4。原始托架結構與新型托架結構各部件尺寸的對比見表1。

圖2 原始托架結構剖面圖

圖3 新型托架結構剖面圖

圖4 托架輪廓線及隔板位置

2 托架有限元建模

2.1 托架有限元模型

將托架的上面板、下面板離散為板單元；圓弧托板和上面板與下面板之間的過渡圓鋼離散為梁單元；采用GAP單元模擬橡膠護舷與承托橡膠護舷的圓弧托板間的接觸，實現模型簡化和力的傳遞；采用剛體單元模擬碰撞力傳遞過程，拖船艏部模型單元數約為28 600個，其中梁單元和GAP單元約為3 400個，板單元約為25 200個。拖船艏部和托架結構有限元模型分別見圖5和6。讀取模型的質量，原始托架結構質量為4.23 t，新型托架結構質量為5.16 t。因此，采用質量較小的橡膠護舷，以減小托架結構質量增加給拖船總體性能帶來的影響。

表1 原始、新型托架結構各部件尺寸

圖5 拖船艏部模型

a)原始托架結構

b)新型托架結構

2.2 GAP單元

橡膠護舷是船舶或碼頭上常見的一種緩沖裝置，具有彈性好、吸能多、壽命長和便于維護等優點。[6]當受到擠壓時，橡膠護舷能夠在彈性范圍內產生大變形，通過壓縮、彎曲存儲勢能，吸收部分因拖船頂推作業產生的碰撞能量，使碰撞力減小。[7-9]宋顯明等[10]使用GAP單元較為準確地模擬了隔震橡膠支座的特性。

GAP單元是連接兩節點的線單元,可用于模擬結構接觸中的相互分離、閉合、滑動等相對狀態。在未接觸區域，它不影響分析對象的運動狀態；在接觸區域，它的壓縮剛度將變得足夠大以防止接觸體相互侵入。[11]GAP單元在實際工程分析中有一定應用。杜靜等[12]使用GAP單元代替滾動體對滾動軸承進行簡化，有效地模擬了滾動軸承內外圈之間的接觸狀態。BATHE等[13]在用有限元模型解決機械接觸問題時采用GAP單元得到了較為理想的效果。陳達亮等[14]在氣門彈簧有限元模型中應用GAP單元較好地模擬了實際狀態下氣門彈簧的特性。

橡膠護舷在工作過程中存在大位移和大應變，故接觸過程分析是非線性分析。GAP單元的非線性特性見圖7:當接觸位移差UA-UB≥U0時發生接觸，接觸時的壓縮剛度為KA；分離時的脫開剛度為KB;當發生接觸時，剪切剛度KT為滑動量的函數;摩擦力Fx與滑動量成正比關系，當摩擦力達到接觸面間的最大靜摩擦力F1時，隨著滑動量的增加，靜摩擦變為動摩擦，摩擦力為F2。

a)摩擦力與接觸位移的關系

b)摩擦力與滑動量的關系

圖7GAP單元非線性特性

2.3 計算載荷及工況

長度為36 m的拖船作業時最大頂推力為509.6 kN，通常情況下進行頂推作業時不會使用最大頂推力。出于對安全的考慮，載荷選取509.6 kN[5]。拖船的橡膠護舷與被頂推船外板之間有上下滑移趨勢，鋼與橡膠之間存在靜摩擦力，考慮到有水的潤滑作用,動摩擦因數μ取0.6。

沿隔板方向的力FT等于最大頂推力，即FT=509.6 kN,豎直方向分力為FZ=μFT=305.76 kN。

實際作業中，拖船擺位與大船垂直或接近垂直，鄰近中縱剖面的托架前端橡膠護舷與被協靠大船直接接觸并承受較大的載荷作用，相應位置的隔板和圓弧托板均出現了損壞和變形。因此，主要對A～D的隔板及相鄰兩隔板間的圓弧托板進行強度校核。

分為以下4種工況進行校核：工況1—僅由一塊隔板承受載荷；工況2—由隔板及相鄰兩列圓弧托板單元承受載荷；工況3—由相鄰兩塊隔板間圓弧托板中部一列單元承受載荷；工況4—由相鄰兩塊隔板間圓弧托板中部相鄰兩列單元承受載荷。

3 計算結果分析與對比

原始托架結構與新型托架結構在各工況下的計算結果見表2和3。

表2 各隔板Von Mises應力最大值 MPa

表3 各圓弧托板Von Mises應力最大值 MPa

本文托架結構鋼板為A級鋼板，屈服強度為235 MPa，材料系數K為1.0。依據《鋼質海船入級規范》關于拖船支承結構的規定,許用相當應力(Von Mises應力) [σe]=213/K=213 MPa。新型托架結構應力最大值σmax=165.4 MPa<[σe]，滿足結構強度要求。

由表2和3可知，原始結構在工況1和工況3下的應力水平較高，最大Von Mises應力值均在300 MPa以上。工況1應力最大位置位于隔板與上面板相連位置，最大Von Mises應力值為339.6 MPa；工況3應力最大位置位于圓弧托板中上部，最大Von Mises應力值為320.2 MPa，已達到鋼板的屈服極限。計算結果與托架結構實際損壞位置一致，證明了應用GAP單元模擬橡膠護舷與圓弧托板間的接觸是有效的，實際損壞情況見圖1b。根據對工況1和工況3下托架非均勻受力情況的模擬，非均勻受力時托架應力水平明顯增高。因此，對拖船艏部托架型線進行優化是有必要的，相對圓滑的型線有利于碰撞力的分散。

對比新型與原始托架結構整體在各工況下的最大Von Mises應力值，除在工況2下二者相當，其余工況下新型托架結構的最大Von Mises應力值均比原始結構的小。在工況3下，當外載荷施加到D與E之間的圓弧托板上時，原始托架結構應力為320.2 MPa，而新型托架結構應力僅為118.0 MPa，減小幅度達63%，應力云圖見圖8和9。從圖8和9可知,最大應力位置在圓弧托板中上部。在工況1下，在各隔板上分別施加載荷，新型托架結構應力減小幅度均超過50%。由圖10和11可知:原始結構高應力區域集中在隔板與上面板相連的位置，由于隔板型線不合理，應力集中現象明顯；在新型托架結構中，上面板縮短從而優化了隔板型線，減緩了隔板與上面板之間的尖角，且高應力被加強材和橫撐板分散到隔板上，應力集中現象得到有效緩解，應力分布較為均勻。新型托架結構應力梯度小，不易出現疲勞損壞。在工況4下，當外載荷施加到D與E之間的圓弧托板上時，新型托架結構應力減小幅度超過40%。受制作工藝的限制，原始托架結構中圓弧托板與橫撐板無法焊接，沒有可為圓弧托板提供橫向支撐的部件;新型托架結構在隔板上開孔，并在橫撐板與上面板之間增加加強結構，使得加強材和橫撐板能夠與圓弧托板進行焊接，建造工藝得到優化，為圓弧托板提供有效支撐。在工況2下,雖然兩種托架結構應力水平相當，但是載荷已傳遞到加強材上，新型托架結構中圓弧托板的應力水平較原始托架結構的有所降低。從兩種結構的應力分布狀態看，本文提出的新型托架結構是合理的。

圖8 工況3下原始托架結構應力云圖

圖9 工況3下新型托架結構應力云圖

圖10 工況1下原始托架結構應力云圖

圖11 工況1下新型托架結構應力云圖

4 結 論

通過對兩種托架結構計算結果的分析和比較可知:所提出的新型托架結構優化了原始托架結構的關鍵部位，艏部托架型線被優化為圓弧形,有利于碰撞力的分散；隔板型線優化減緩了應力集中現象；隔板開孔使建造工藝得以改進，托架結構成為有機整體，碰撞力的傳遞更加均勻。新型托架結構雖然質量略有增加，但是對于改善托架結構前端的應力集中現象作用明顯。此新型托架結構可為拖船托架結構設計提供參考。