62m沿海客船首部錨泊系泊設備加強結構設計與仿真計算

吳猛 李明明 張艷君

摘? ? 要：由于錨泊系泊設備作業條件變數多，致使船舶在該區域的結構受力較為復雜，因此對該區域船體的加強結構設計和強度分析應當重點關注。本文以一艘62m沿海客船為研究對象，重點闡述了其首部錨泊系泊設備區域船體加強結構設計與有限元仿真計算。通過對錨泊系泊設備各作業工況的受力分析與計算，并基于計算結果進行優化設計，使其最終結構強度滿足規范要求。

關鍵詞：錨泊系泊；加強結構；有限元

中圖分類號：U663.7? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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

錨泊和系泊設備是服務于船舶停泊和停靠的重要設備，該類設備在作業時使船舶相關區域的的結構構件受力較大，而易損壞引起船舶的安全問題。近年來，由于船舶錨泊和系泊設備區域結構構件強度問題造成的船舶損壞事故時有發生，因此，為了保障船舶的安全性和可靠性，對錨泊和系泊設備所在區域的船體結構進行強度分析并做相應加強十分必要。

2? ? 系泊及錨泊設備加強結構設計方案

本船首部錨泊設備設一臺兼有系泊絞車作用的起錨機和兩套掣鏈器（左右舷各一套）；系泊設備設有立式滾輪三套（左右舷各一套、船中FR94處一套）、系纜樁四套（左右舷各兩套）、導纜孔四套（左右舷墻內嵌各兩套及首部船中位置一套）以及一套應急拖帶裝置。其布置如圖1所示。

依據錨泊系泊設備布置圖在相應的船舶結構圖中確定出各設備的具體位置，參照中國船級社《國內航行海船建造規范》（2021）[1-2]（以下簡稱《規范》）的有關要求，有針對性地對各設備所處位置的船體結構進行分析和必要的加強。其方案有：對于起錨設備考慮其自身設備重量以及作業時所受拉力均較大，因此在設計其基座時應當對構件適當加強，且在其基座相應位置底部的甲板反面增加強桁材予以支撐，從而保證所影響區域的結構強度以及設備的安全作業；對于系纜樁優先考慮布設在強結構的位置，必要時可以沿其四個側壁在主甲板的反向增加加強構件，根據其所受力的大小綜合考慮采用角鋼或者T型桁材。對于立式滾輪，可在其與甲板接觸點的反面增加縱向和橫向兩條強桁材形成“十”字形，有利于各方向上的力傳遞。

錨泊系泊設備加強結構設計方案如圖2所示。

3? ? 首部系泊及錨泊設備結構有限元仿真

3.1? ?有限元模型與邊界條件

3.1.1 有限元模型

本仿真借助通用有限元軟件PATRAN進行建模和計算。對錨泊系泊設備受力所影響的船體區域進行建模，有限元模型范圍：長度X方向從FR85至船首，寬度Y方向從右舷至左舷，高度Z方向從主甲板至駕駛甲板。其中，導纜孔內嵌于二層甲板與駕駛甲板之間的舷墻上。

船舶錨泊系泊設備加強結構材料采用船用低碳鋼（CCS-A），鋼材的密度為7 850 kg/m3、彈性模量E為2.06×1011 N/m2、泊松比為0.3、屈服強度為235 MPa。結構構件尺寸按結構圖紙標注尺寸建模，但按照《規范》應當考慮2 mm的腐蝕余量，即按各構件的厚度均按實際厚度減小2 mm建模。

參照《規范》對模型的具體要求，網格大小取約1/4肋骨間距；支撐結構周圍區域網格適當加密，以反映設備支撐結構的實際分布[3]。板材及強桁材的腹板采用板單元模擬，骨材及強桁材的面板采用梁單元模擬。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[5]。

3.1.2 邊界條件

確定邊界條件以不影響中心區域的計算結果為原則。本計算中對整個模型的上部邊緣、底部邊緣以及FR85肋位邊界處進行剛性固定約束，即節點的U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0。

3.2? ? 計算載荷

結合《規范》要求，沿海客船首部系泊及錨泊設備結構加強計算主要考慮下列載荷。

3.2.1? 自重載荷

船體結構及設備的自重通過重力加速度施加，即g=9.81 m/s2。其中，首部錨機的質量為2 000 kg，不可忽略。錨機重量用質量點予以模擬，其位置在錨機設備的重心處。

3.2.2 系泊時立式滾輪及導纜孔受到的載荷

根據實際設備選型，本船系船索的破斷力為107 kN。由《規范》3.6.4.3（1）可知，作用于立式滾輪及船體支撐結構的設計負荷為系船索破斷力的1.15倍，即1.15×107 kN=123.05 kN。

由《規范》3.6.3.3（5）設計載荷應根據拖帶與系泊布置圖中的布置，各種可能出現的方向施加于配件。當拖索在配件處轉向，作用在配件上的設計載荷應為拖索設計載荷的合力，但不會超過 2 倍的拖索設計負荷，如圖3所示。導纜孔根據系索布置計算載荷分量的合成力[4]。

本計算所施加的載荷是由錨泊系泊設備所受的力分解到三個坐標軸，然后再合成為一個合力。各立式滾輪及導纜孔所受力的大小詳見設計工況表1。

3.2.3 系纜樁受到的載荷

與立式滾輪及導纜孔相同，作用于系纜樁及船體支撐結構的設計負荷為系船索破斷力的1.15倍，即1.15×107=123.05 kN。

根據本船錨泊系泊設備布置圖，其系纜樁的實際參數及工作狀況可知，力的作用點與甲板的距離為0.325 m。力的作用點通過MPC與船體結構的相關點相連接。

3.2.4 錨泊時掣鏈器及錨機受到的載荷

根據錨泊系泊設備布置圖，本船所選擇的錨鏈為GB/T 549-2008 AM3-26，其破斷載荷為556 kN。由《規范》3.7.2.3可知，校核掣鏈器時設計載荷取錨鏈最小破斷載荷的80%，即0.8×556 kN =444.8 kN；校核錨機（帶掣鏈器）時，設計載荷取錨鏈最小破斷載荷的45%，即0.45×556 kN =250.2 kN。

掣鏈器的實際參數及工作狀況可知，掣鏈器合力的作用點與甲板的距離為0.478 m；錨機合力作用點與甲板最大距離為0.86 m。力的作用點通過MPC與船體結構的相關點相連接。

3.2.5 拖航時拖索的拖力

根據錨泊系泊設備布置圖，本船所選拖索的破斷力為250.1 kN。結合實際作業狀況可知，拖帶眼板所受合力的作用點與甲板的距離為0.174 m，合力的作用點通過MPC與船體結構的相關點相連接。

3.3? ?計算工況與校核衡準

3.3.1 計算工況

由于本船首部錨泊系泊區域的結構和設備大部分左右舷對稱，只有少數設備非對稱，因此本計算選取左舷的錨泊系泊設備進行強度計算并單獨對非對稱設備可能使用的情況進行強度校核，結合《規范》的要求和錨泊系泊設備各工況的受力情況進行分析，針對性地假設了28個計算工況。現列出其中5個工況設計案例，如表1所示。

3.3.2 校核衡準

根據《規范》3.7.2.7規定，各種工況下支撐結構和基座的計算應力應不大于表2中的許用應力值。

3.4? 計算結果及應對措施

對上述各工況進行計算，得出計算結果。其中，大部分工況下的計算結果均滿足結構強度要求，而部分工況下的計算結果不滿足結構強度要求，如掣鏈器與主甲板連接區域的結構應力值超過235 MPa。為了降低此處結構的應力值，采取了加大構件尺寸和加厚構件板厚的措施，同時對掣鏈器的加強構件在錨鏈筒處的連接方式由折角型改為圓弧型，使其力學性能更加科學合理。經過優化設計后，其結構應力降低為200 MPa左右，滿足規范要求。對于錨機區域，由于船體結構本身較為復雜，有限元模型的網格劃分質量參差不齊，部分計算結果突變偏大。經檢查發現該區域有限元網格質量較差，出現有部分尖角網格或者相鄰網格大小差異大的情況。在尖角網格處對構件進行了重新布置，避免構件間尖角的出現從而改善網格質量，而在網格大小差異大的區域采用過渡網格從小網格過渡到大網格的措施，使網格質量大為改善，優化設計后的計算結果比較理想。本船通過計算與設計改進相結合，其首部錨泊系泊區域結構構件的強度均滿足《規范》要求。具體的計算結果匯總如表3所示（僅列舉其中3個工況的計算案例）。

4? ? 結論

本文基于規范要求，對62 m沿海客船首部錨泊系泊區域的船體結構和設備加強結構進行有限元計算分析，并根據計算結果對加強結構進行優化設計。在此提出以下建議：

1）在進行錨泊系泊區域的加強結構設計時，應盡量使加強結構與設備在甲板處的受力構件對齊，并使加強結構盡量連接至船體結構的強桁材或者艙壁等強結構處，以利于力的傳遞；

2）對于計算結果不滿足強度要求的結構區域，可能是有限元網格劃分不合理導致。例如，本計算中錨機基座處的網格出現夾角過小的情況致使其計算結果突變。因此，網格劃分應當科學合理，盡量避免尖角等不合理網格的出現；

3）對于受力較大的區域，在進行結構設計時應提前考慮該區域的結構加強。例如，位于掣鏈器區域結構的應力較大，設計時應適當增大相應區域的加強構件的尺寸和板厚，或者改變其連接形式，使結構布置更為合理。

參考文獻

[1] 國內航行海船建造規范[S]．北京：中國船級社， 2021．

[2] 關于執行MSC/Circ.1175 通函的通知[S]．北京：中國船級社， 2005．

[3] 王軒，黃渙青．某沿海雙體客船系泊錨泊支撐結構設計[J]．廣東造船，?2020 （02）．

[4] 謝大建．系泊設備下船體支撐結構的強度校核[J]．船海工程， 2012（03）．

[5] 王佳鑫．某半潛運輸船定位樁設備加強結構有限元分析[J]．廣東造船，?2021（06）．

基金項目：中國船舶集團有限公司懸鏈式單點系泊系統核心部件研制（202130ZZ）

作者簡介：吳? 猛（1984- ），男，高級工程師。主要從事船舶與海洋工程設計與研究工作。

李明明（1985- ），女，工程師。主要從事船舶結構設計工作。

收稿日期：2022-12-01