205 000 DWT散貨船系泊改裝設計

摘" " 要：船舶在營運時，經常面臨新增和升級系泊裝置。本文以205000DWT散貨船為例，根據中國船級社（CCS）《鋼質海船入級規范》的要求[1]，對此船型系泊設備的改造進行可行性研究，采用有限元分析的方法模擬船舶與系泊設備的實際受力情況[2]，對系泊設備的支撐結構進行強度校核，確保滿足船東新增和升級系泊布置的需求，保證船舶結構的安全性。

關鍵詞：系泊; 改裝; 有限元分析; 強度校核

中圖分類號：U667.3" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A

Conversion Design of 205 000 DWT Bulk Carrier Mooring

LI Yinpeng，" JIANG Bin

（ China State Shipbuilding Corporation Guangxi Shipbuilding Co.， Ltd.，" Qinzhou 535000 ）

Abstract： When ships are in operation， they are often faced with new and upgraded mooring arrangements. By taking the 205 000 DWT bulk carrier as an example ship， and in accordance with the requirements of CCS Rules for the Classification and Construction of Sea-Going Steel Ship， the feasibility study of the modification for mooring equipment of this ship is carried out， and the finite element analysis method is used to simulate the interaction of mooring equipment and the hull， to check the strength of supporting structure of mooring equipment， so as to meet the needs of ship owners for new and upgraded mooring arrangement， and to ensure the safety of ship structure.

Key words： mooring;" modification;" finite element analysis;" strength verification

1" " "前言

系泊系統是船舶重要的組成部分，其一方面保證船舶在海上作業安全，另一方面保證船舶在港口碼頭的停靠安全。船舶在營運時，面臨不同海域或不同港口碼頭和運河對系泊布置的要求，隨著港口碼頭管理等的相關政策改變，經常面臨新增和升級系泊裝置。

為了驗證改裝系泊設備及其船體支撐結構的安全性，通常采用有限元分析方法，對改裝區域的支撐結構進行直接強度計算，利用數學模型將復雜的問題轉化成簡單的力學分析，直觀有效的描述支撐結構在各個方向上的受力情況。

某205 000 DWT散貨船，船長約174 m。針對澳大利亞皮爾巴拉港務局對黑德蘭港航運提出的關于甲板舾裝的新要求，2021年2月1日以后所有停靠該港口的120 000 DWT以上的船舶，在船尾甲板中線處至少增加一個額定安全載荷為120 t的導纜孔和帶纜樁。本船在甲板尾部加裝了一個安全工作負荷為150 t的帶纜樁和一個安全工作負荷為150 t的導纜孔。

2" " 系泊設備支撐結構分析

設計系泊設備的支撐結構時，已營運船舶改裝與升級系泊設備和新建造船舶最大的區別在于：新造船可直接根據系泊設備載荷的變化進行結構布置和選擇支撐結構的尺寸，既考慮經濟性，也考慮施工便利性；已營運船舶的系泊設備在改裝與升級時，系泊布置區域的結構已定型，為了降低改造施工的難度，優先使用原船上的結構，并盡可能地減少超重超大組件進行高空割除，新增結構組件的規格也應考慮其吊裝的便利性。

根據CCS《鋼質海船入級規范》關于船體支撐結構布置上的要求，系泊設備下的加強結構組件應對作用在系泊設備上的系泊載荷的任意方向（包括水平方向和豎直方向）的變化，作有效應力傳遞的布置。甲板上的系泊設備與甲板以下的船體支撐結構，應盡可能保證對齊，將設備上的載荷有效傳遞到船體結構。

從圖1原船系泊布置圖可知：原船在距中線1740 mm處左右舷均布置有滾輪導纜器和系泊絞車，中線處并未布置其他舾裝設備，無任何設備碰撞，避免了原船設備移除帶來的船舶布置上的大修改；此位置甲板下為干艙，按照系泊布置距離要求，可直接在此增加帶纜樁和導纜孔。

如圖2所示：尾甲板新增導纜孔處，原船結構在船中偏左舷有救生筏加強，采用14 mm肘板加筋結構，尾端導纜孔優先使用原救生筏的加強結構，若應力超出許用范圍，可通過增加對齊結構進行補強。

系泊操作使用的系泊設備，應盡可能布置于甲板支撐結構上，以有效分布系泊負荷。如圖3所示：在新增帶纜樁處，帶纜樁布置在-2號肋位和0號肋位間，可利用-2號肋位處的甲板強橫梁作為一端的支撐結構，只需增加與帶纜樁左右對齊的支撐結構，再根據強度分析結果選取合適的支撐結構尺寸。

通過上述對新增系泊改裝設備的布置可行性和支撐結構安全性分析的基礎上，開展下一步支撐結構的有限元模擬分析。

3" " 有限元模型

3.1" "有限元模型

有限元模型，如圖4所示：導纜孔和帶纜樁，采用與實體相似的殼結構建模；骨材采用梁單元/桿單元表達；甲板、縱/橫艙壁、大梁、肘板和系泊設備下的支撐結構用殼單元表示。殼單元的長寬比不大于3，盡可能接近 1，同時盡量避免采用三角形單元；有限元網格大小400 mmx400 mm，系泊加強區域網格采用200 mmx200 mm；甲板以下的船體支撐結構、甲板上的設備基座或底座、設備，均按規范要求扣除2 mm的腐蝕增量；導纜孔和帶纜樁的對齊支撐結構，如圖5所示。

3.2" "模型范圍和邊界條件

系泊計算采用局部立體結構模型，以系泊設備的基座或底座的有效作用矩形為中心，向X、Y水平面的正負方向分別展開至少一倍距離；根據此方法框取的模型水平邊界上，未設置結構的主要支撐構件，模型邊界所設置的邊界條件對評估區域的計算結果較為敏感。綜合考慮，模型沿船長方向分別延伸至尾封板和14號肋位的機艙后壁，船寬方向延伸至船舷，Z向從基座甲板面擴展至甲板以下的相鄰平臺，垂向延伸至18800 mm上平臺；因模型邊界遠離系泊加強評估的計算點，并設有主要支撐結構，故可以看作固支，即模型的邊界的X/Y/Z位移值和轉角值設置為0。

3.3" "材料屬性

模型選用等級為A/AH32/AH36等鋼材，根據規范的要求，材料屬性見表1。

4" " "設計載荷工況與強度校核

4.1" "設計載荷工況

導纜孔和帶纜樁的船體支撐結構，需要校核拖帶作業和系泊操作兩種工況的安全性。

1）拖帶作業工況

在進行正常拖帶作業時，設計載荷為系泊設備布置圖中標明的最大拖帶負荷的125%，帶纜樁和導纜孔的安全工作負荷為150 t，設計載荷應根據系泊設備布置圖中的布置，各種可能出現的方向施加于設備中；當拖索在導纜孔處轉向，作用在導纜孔上的設計載荷應為拖索設計載荷在這兩個方向的合力，但不需超過 2 倍的拖索設計負荷。

系泊設備布置圖中有約定的纜繩布置和出纜方向：

對于導纜孔，分別有向下出纜、向左舷出纜、向右舷出纜和向上30°出纜，受力分析見圖6；

對于帶纜樁，拖索的連接點應至少取基座以上的筒體高度的80%，帶纜樁拖帶作業時僅受到向尾的拉力，載荷作用到筒體距甲板710 mm部分。拖帶作業時，雙柱帶纜樁按照 1 個系泊繩圈纏繞于單個樁的受力方式，受力分析見圖7。

2）系泊操作工況

導纜孔的船體支撐結構的最小設計負荷，為系索破斷強度的1.15倍，而導纜孔的安全工作負荷150 t大于系索破斷強度，故系泊作業的拉力取為150x1.25x10=1 875 kN。

對于導纜孔，當系泊索在導纜孔處轉向，作用在導纜孔上的設計載荷應為系泊索設計載荷在這兩個方向的合力，但不需超過 2 倍的系泊索設計載荷，受力分析與拖帶作業一致。

帶纜樁在系泊操作時，系泊索的連接點至少取基座以上的筒體高度的80%。本船帶纜樁選用ISO13795 A500 A型號，筒體上安裝了擋板或吊耳，以保證系泊索盡可能低，系泊索載荷的作用點可取為擋板或吊耳的高度，吊耳距甲板430 mm。

系泊操作時，雙柱帶纜樁應按照 8 字纏繞兩根系纜樁的受力型式，設計載荷為系泊索破斷載荷的2倍，故設計拉力為706x2x1.25=1 765 kN，具體的受力分析見圖8。

最后，對各工況的受力分解為船舶坐標的Fx，Fy，Fz，具體見表2。

4.2" "加強結構強度分析

結構的安全性是指加強結構在各種工況下，仍能保持必須的整體穩定性。通過對比加強結構的合成應力和最小許用屈服應力，確定船體結構的強度是否滿足安全性的要求。在有限元分析計算中，合成應力的許用應力為材料的最小屈服應力值，殼單元應力取值為單元中間平面的應力值。

船體支撐結構的合成應力，可通過有限元分析結果查看。如工況LC1，鋼材等級A的合成應力為190 MPa，低于最小許用屈服應力235 MPa，強度滿足要求。

應力云圖見圖9；鋼材等級AH36的合成應力為170 MPa，低于最小許用屈服應力355 MPa，強度滿足要求，應力云圖見圖10；其他工況不再一一列舉，最后匯總見表3。

依據表3的結果分析，船體支撐結構的強度滿足安全使用的要求。

加裝150 t SWL的導纜孔，支撐結構系統在原船上切割一個肘板結構，新增5個零件；對于帶纜樁，新增6個零件。本船的系泊改裝總重量為439 kg，上述結構組件重量小于200 kg，均可通過手工葫蘆吊裝作業。

5" " "結束語

本文以某205 000 DWT散貨船為基礎，對系泊設備改裝方案進行評估，并通過有限元分析計算，校核船體支撐結構的強度。通過選用最經濟的改裝加強方案，采用準確可靠的分析驗證方法，保證支撐結構的安全，降低船舶系泊改裝的成本。

目前有限元計算方法在船舶設計中大量使用，隨著近海石油和氣體業務的擴張，FPSO的需求量越來越大，FPSO的單點系泊改裝，以及更多的VLCC改裝為FPSO，有限元的應用會隨之推廣，設計人員應盡量在模型中反映船舶的實際情況，保證方案計算的準確性，考慮在船舶改裝的注意事項，以確保船舶改裝設計的結構安全。

參考文獻

[1] 鋼質海船入級規范[S]．北京 ： 人民交通出版社，" 2018．

[2] 王 武，劉健龍，彭善輝等.大型散貨船通航巴拿馬運河和澳大利亞港口的船體系泊改裝設計 [J]." 廣東造船 ， 2021（0 4）.