某半潛運輸船定位樁設備加強結構有限元分析

王佳鑫

摘 要：定位樁作為一種系泊定位工具，首次應用于半潛游艇運輸船上。為保證該船在遮蔽航區作業時的停泊安全性，定位樁及其設備加強結構的強度尤為重要。本文通過有限元方法，對定位樁設備的加強結構進行強度計算分析，證實本船尾部定位樁設備的加強結構在各種工況下，其屈服強度和屈曲強度都滿足勞氏船級社規范要求。

關鍵詞：半潛式游艇運輸船;定位樁;屈服強度;屈曲強度;有限元分析

中圖分類號：U664.8

文獻標識碼：A

1 前言

目前，我國定位樁主要應用于各類挖泥船[1]。本文所述船舶為半潛式游艇運輸船，考慮到所運貨物的特殊性，對于裝卸貨物時系泊定位要求比較高，因此本船設計時配置了首尾兩個定位樁。為了保證作業及航行時的安全，需要對定位樁配套設備的加強結構進行強度分析與校核。

本文介紹定位樁應用于半潛游艇運輸船的工作原理，以及定位柱配套設備加強結構的有限元計算方法及強度校核結果。

2 半潛式游艇運輸船工作原理

本船為全球首制超尺度比的半潛式游艇運輸船，總長213.7m，型寬44.6m、型深5.9m、結構吃水5.2m、下潛最大吃水13.5 m，設計航速13 kn、功率2x5 200kW、總載重量12 780 DWT，

本船具有較大的露天載貨甲板，船首設有較高的上層建筑，在裝卸貨物過程中呈半潛狀態。游艇采用滾裝方式駛進駛出貨艙，不需要設置吊機來吊運貨物。在船體下潛時，定位樁插入海底，當船舶下潛到13.5m的吃水深度時載貨甲板淹沒;然后，游艇駛入載貨區甲板，主船體上浮讓游艇擱淺，定位樁收起;待載貨甲板出水后將游艇固定好，啟程運輸至目的地。船舶在下潛及上浮過程中的位置固定，是由定位樁來實現的。

本船共有兩個定位樁，一個布置在船首部中縱位置，另一個布置在船尾部左舷側位置，如圖1所示。

3 半潛式游艇運輸船的定位樁系統功能及組成

3.1 主要功能

半潛式游艇運輸船的定位樁系統，主要具備以下功能：（1）在遮蔽航區不使用錨及系泊繩索的工況下，保證停泊的安全性;（2）維系船舶在固定的位置，不允許產生橫向、側向及偏航的位移運動;（3）除系泊繩索外，為船舶提供額外的系泊能力;（4）在下放工況時，定位樁的承載力能滿足以下環境載荷的要求，以確保船舶的靜止狀態：風力6級、水流最大速度2kn;（5）定位樁具有足夠的長度及剛度，滿足在最大水深達到15 m時能夠插入海床。

3.2 系統組成

尾部定位樁配套設備，由電動絞車、吊鉤眼板、導向滑輪以及擱置設備組成（見圖2）：（1）吊鉤眼板固定鋼絲繩的一端，另一端由電動絞車卷筒拉緊鋼絲繩，頂端通過導向滑輪傳動將定位樁依靠重力下放到海底插入海床;（2）定位樁的電動絞車具有恒張力功能，絞盤上有空滾筒限位裝置，以保證其在下放過程中滾筒上始終有鋼絲繩;（3）考慮到鋼絲繩的磨損、斷絲及腐蝕等情況，定位樁絞車的鋼絲繩是可以進行更換的。

船舶在航行工況下，定位樁處于收起擱置狀態：（1）定位樁的收起，由電動絞車卷動鋼絲繩，通過導向滑輪及吊鉤眼板將定位樁升起，并放于擱置設備上，由鎖緊裝置將擱置設備鎖緊;（2）航行工況下，定位樁的鎖緊裝置在最低位置有機械剎車裝置，以避免定位樁滑落到比定位樁套管底部更低的位置;（3）定位樁需定期維護保養，可以由岸吊進行拆卸吊裝。

無論在作業工況還是擱置工況下，定位樁設備的加強結構都需要具備足夠的強度及剛度，本船需滿足勞氏船級社規范對于船體結構屈服及屈曲強度的要求。

4 有限元模型

本文僅建立尾部定位樁區域的結構有限元模型（見圖3），對其在各工況最大設計載荷下的結構進行靜力分析，并根據勞氏船級社規范要求校核其強度。

4.1 有限元模型

在三維笛卡爾坐標系中，有限元模型的范圍為：縱向從船尾到16號肋位;垂向從距基線14 200 mm到定位樁方形支柱頂（距基線32 725 mm）;橫向從距中20 000 mm的內殼板到舷側外板。

在本模型中：（1）頂平臺的定位樁滑輪設備反面結構加強筋，以板單元加梁單元的形式離散;（2）距基線24 100 mm甲板以上的舷側外板的加強筋，以板單元離散，其他次要構件都用梁單元離散;（3）甲板板、甲板下圍壁板等，以板單元離散;（4）強橫梁、縱桁等強構件腹板，以板單元離散，面板以梁單元離散[2]。其中，梁單元是具有軸向、扭轉、雙向剪切和彎曲剛度的兩節點單元，板單元是具有面內剛度和面外彎曲剛度的三節點或四節點單元。

整船計算的有限元網格大小為600 mmx600 mm;設備加強區域板單元的網格大小，取200 mmx200mm。

本模型范圍內的板材，若無特殊說明，均采用高強鋼;另外，為了減少應力集中，設備基座所在的甲板板要包含加厚的插入板，根據規范要求，插入板板厚最小值不得小于臨接板板厚的1.5倍;加厚板與臨接板采用全焊透焊接，板縫線為倒網角，對接焊厚板削斜比例為3：1;定位樁的設備，位于部分甲板結構（如：縱骨、強橫梁、縱桁）上，以有效分布丁作負荷。

4.2坐標系

計算坐標系采用笛卡爾直角坐標系：原點位于尾封板、基線面和船體中心面交叉處;X軸方向為船體的縱向，向船首方向為正;Y軸方向為船體的橫向，向左舷為正;Z軸方向為船體的垂向，向上為正。

4.3材料特性

本模型中板及構件的材料特性，見表1。

4.4邊界條件

邊界條件的確定取決于對結構受力和變形狀態的判斷。根據Saint-Venant原理，由于約束點距離我們最關心的部位較遠，對應力分布的計算結果影響很小[3]。本文所述模型的結構以彎曲為主，依據經驗，該計算采用邊界條件為鉸支：δx=δy= δz=0，如表3所示。

5 計算工況

5.1 工況1一定位樁下放或收起

工況1為定位樁下放或收起時，共有三處設備載荷（見圖4）：（1）吊鉤眼板位置鋼絲繩的拉力;（2）滑輪位置鋼絲繩的拉力; （3）絞車位置鋼絲繩的拉力。

尾部定位樁重量為50 t，定位樁重力為500 kN。由圖2的設備布置可知：吊鉤眼板和導向滑輪位置的鋼絲繩拉力應該分別是250 kN，但此處考慮到海底泥土的吸附力，樁體側壁摩擦力等外力載荷，單根鋼絲繩拉力取500 kN。

根據規范規定，設計載荷取額定拉力的1.25倍，即取P =625 kN。

設計載荷通過系索施加，力的作用點如下：吊鉤眼板拉力F1的作用點，距定位樁支柱封板415 mm;滑輪拉力F2的作用點，距頂平臺1 055 mm;鋼絲繩角度與垂向成28°;絞車拉力F3作用點距絞車平臺1500mm，鋼絲繩角度與水平成62°。

吊鉤眼板產生的拉力及彎矩主要由方形立柱承受，方形立柱尺寸為500 mmx500 mmx15 mm;與眼板焊接的封板做局部加厚，立柱橫向封板20 mm、水平封板40 mm;導向滑輪產生的壓力主要由FRO尾封板承受，此處FRO尾封板板厚15 mm，布置垂直扶強材;導向滑輪所在的頂平臺板厚15 mm，與導向滑輪焊接處的頂平臺板，局部做50 mm的加厚嵌入板;電動絞車承受拉力，需要將絞車基座沿受力方向的反面加強結構做成強構件。

5.2 工況2-定位樁擱置

工況2為定位樁擱置時，有一個垂直向下的載荷（見圖5），載荷大小由設備商提供：F42=-1550 kN，力的作用點距27 060 mm平臺865 mm、距尾封板640mmo

定位樁擱置時產生的壓力，主要是由FRO尾封板承受，此處FRO尾封板板厚15 mm，布置垂直扶強材;擱置裝置所在的27 060 mm平臺板厚15 mm，與擱置裝置焊接處的平臺板局部做了25 mm的加厚嵌入板。

6 強度衡準

屈服強度和屈曲強度，均按照英國勞氏船級社《鋼質海船人級規范》（2019）相關準則進行校核。

根據規范要求：機械設備處甲板板及甲板下加強結構的許用相當應力為85%材料的最小屈服點;許用剪切應力為47%材料的最小屈服點[4]。

材料屈服極限：A級鋼σy=235 N/mm2; AH36高強鋼σy=355 N/mm2。因此，本模型許用應力標準如下：

7 結構強度校核結果

7.1 屈服強度校核

板及構件的應力應不超過相關的許用應力衡準：本模型計算的板單元、梁/桿單元最大合成應力，見表4。

7.2 屈曲強度校核

本模型應對所有主要構件進行平板屈曲強度評估，屈曲評估中臨界屈曲應力應考慮適當的標準減薄厚度，本模型減薄厚度1 mm。在平板屈曲計算中，應考慮雙向軸向壓應力和剪應力，一般情況下以板內的中面應力來進行屈曲應力檢查;板格的屈曲安全因子λ應不小于相關的屈曲安全因子，屈曲安全因子λ>1，滿足規范要求。

本船的屈曲校核是由勞氏船級社的shipright計算軟件來完成后處理的，后處理中的系數為1/λ<1，滿足規范要求。

8 結論

由以上計算結果可知，通過對定位樁配套設備加強結構的有限元強度分析，表明在對應工況載荷作用下，該設備加強結構滿足勞氏船級社的相關強度要求。本文可類似的設備加強結構提供設計參考。

參考文獻

[1]苗得雨.絞吸式挖泥船定位樁系統受力分析[D].天津：天津大學，2008.

[2]徐海波，宋群星.工程船箱型定位樁有限元計算與結構優化[J].船舶物資與市場，2020，（2）：11-12.

[3]中國船舶工業總公司.船舶設計實用手冊結構分冊[M].北京：國防工業出版社2013.

[4] Lloyd's ReOster. Rules and Regulations for the Classifiration of ships July[M].2019.