某滚装船系泊加强评估及优化分析

［引用格式］李磊，蒋婷，吕舜.某滚装船系泊加强评估及优化分析[J].船舶物资与市场, 2020, (2):5-7.

某滚装船系泊加强评估及优化分析

李 磊，蒋 婷，吕 舜

(南京金陵船厂有限责任公司，江苏 南京 210015)

摘 要 ：本文主要使用有限元法对某型货物滚装船系泊设备的加强结构进行评估分析，着重介绍系泊加强结构的规范强度校核和优化设计。通过优化设计来减轻结构重量，避免因空船重量超标造成的罚款损失，系泊设备加强结构重量的减轻还可以降低船舶重心高度，增加船舶稳性。本文将以某型货滚船艏部系泊设备加强为例进行分析和优化，根据规范规定的衡准要求判断系泊加强结构是否满足强度要求，同时进行结构优化设计，以使加强结构在满足强度要求的情况下更为合理。

关键词：系泊加强；有限元；破断载荷；结构强度；

中图分类号：TQ131 文献标识码：A DOI:10.19727/j.cnki.cbwzysc.2020.02.002

0 引言

滚装船具有型深大、吃水浅、重心高的特点，其结构重量尤其是设计重心以上的结构重量会提高船舶重心，降低船舶稳性，同时会增加船舶阻力，对航速产生不利影响。另外受到建造合同中规定的载重吨的限制，空船重量应尽可能的减小以满足载重吨要求，设计吃水下的载重吨不足将造成罚款甚至是弃船，因此结构设计时要在满足船体结构强度的前提下尽可能地减轻重心位置以上的结构重量。在我厂某型货滚船系泊设备加强结构的送审设计过程中，由于船级社比较保守，需要船厂提供系泊设备加强结构的有限元评估报告才能退审。由此，系泊加强结构的有限元评估及优化势在必行。

本文利用MSC.PATRAN/NASTRAN软件,根据船舶艏部系泊甲板的结构形式及系泊设备的布置，建立船体及系泊加强结构的有限元模型。根据系泊设备的用途及缆绳的布置来选取载荷的大小和方向，确定约束条件及计算工况进行分析求解。通过查看应力应变云图来评估相关的系泊加强结构是否满足规范使用要求，对于强度裕度较大位置结构进行减弱，强度不足位置结构进行加强，从而达到优化设计的目的。

际上，系泊加强的形式及规格受到系泊设备类型、安全工作载荷、用途等因素影响，在具体的设计过程中需要根据这些因素进行合理选择，既要避免因过度加强造成的材料浪费和重量增加，又要避免因加强不足导致船体结构遭到破坏。

1.2 滚装船的船型资料

该滚装船为货物滚装船，入籍DNV-GL船级社，通过巴拿马运河，艏艉设有满足巴拿马当局要求的系泊拖拽设备。

船型主要参数见表1。

表1 船型主要参数

参数

总长Loa /m垂线间长Lpp /m型宽B /m

型深（至主甲板） D /m型深（至露天甲板）D /m结构吃水d /m设计航速V /kn

数值238.00 229.75 34.00 9.30 28.85 7.40 20.80

1.3 系泊设备的布置

本船的系泊设备主要由带缆桩、羊角滚轮、立式三滚柱和导缆孔组成，其在艏部区域的布置如图1所示。

1 系泊设备分析

1.1 系泊加强结构介绍

船舶系泊设备是用来满足船舶在港口停靠、通过运河及丧失动力等情况下的系泊和拖拽需求，主要由带缆桩、羊角滚轮、立式滚柱及导缆孔等组成。因需要承担较大的缆绳拉力，故在这些系泊设备的位置需要对船体结构进行必要的加强，这些加强结构简称为系泊加强。

传统船舶由于对重量不甚敏感，其系泊加强结构偏保守，一般会按照受力较大的系泊设备加强结构进行同等加强。实

收稿日期：2019-12-19

作者简介：李磊（1989—），男，助理工程师，主要从事船体结构设计与分析工作。

船舶物资与市场 5

图1 左舷系泊设备的布置图

基础科技

右舷系泊设备的布置与左舷对称，图1中各系泊设备的编号说明见表2。

表2 系泊设备说明

编号名称型号用途及数量绕绳安全工作载荷

方式1导缆孔ISO 13729 B 400×250×381系泊:70 t，港拖:53 t

1单绕2导缆孔ISO 13729 B 港拖:53 t，400×250×428巴拿马拖:90 t1单绕3三滚柱ISO 13742 300A

3R

系泊:70 t

6单绕4带缆桩ISO 13795 A

450A系泊:77 t，港拖:53 t

18字绕5导缆孔ISO 13729 B

500×250×525B其它拖带:119 t

1单绕6羊角滚轮ISO 13776 300系泊:74 t4单绕7带缆桩ISO 13795 A

500A其它拖带:154 t

18字绕8

带缆桩

ISO 13795 A 港拖:53 t，

500A巴拿马拖:90 t

1

8字绕

可以得出：系泊设备的用途主要分为系泊、港口拖带、巴拿马拖带和其它拖带，作为港口拖带使用时其安全工作载荷远小于其它用途时，因此在计算时可以用其它工况进行代替。

1.4 系泊设备设计载荷

系泊加强结构的计算除了需要知道系泊设备的布置和安全使用载荷外，还必须获得系泊索和拖索各自的破断载荷，破断载荷的确定有2种方式：

1）按照规范计算的舾装数选取对应的破断载荷；2）根据实际选用的缆绳的最小破断载荷选取。

一般来说，船东要求实际选用的缆绳的破断载荷大于舾装数对应的破断载荷，这将导致设计加强的载荷增大。由于舾装数是通过各种船舶数据计算出来的，在进行计算时能够满足规范规定的设计强度要求。因此，在没有特殊要求的情况下，一般选择按舾装数对应的破断载荷选取。根据舾装数计算书得到本船的舾装数为4188，规范对应的系泊索和拖索的最小破断载荷分别为657 kN及1471 kN。

1.5 载荷施加要点

根据系泊设备的使用要求总结了以下载荷施加要点：1）带缆桩可以兼做系泊和拖带使用，2种方式的受力情况不同，因此计算时两种工况都需要考虑。

2）对于导缆孔和三滚柱，其使用时入绳方向可以通过系泊布置图获得，而其出绳方向由于使用位置的不确定存在多种可能，需要按照出绳与入绳形成最小夹角的极限工况进行计算，其合力大小一般不超过单根绳索破断载荷的2倍。

3）对于计算系泊加强结构的设计载荷应为破断载荷或安全工作载荷的1.25倍。

系泊设备在作为系泊使用时端连着系泊绞车一端连着港口缆桩，由于风浪和潮汐的作用缆绳张力会变得过大或过小，这种情况会导致船体结构和码头遭到损坏。此时通过系泊绞

6 船舶物资与市场

车的恒张力系统，可以设定一个缆绳张力，当缆绳力过大时松绳，过小时拉绳，以此保证船舶和码头的安全。因此在作为系泊使用时，系泊设备需要承担绳索的双向拉力，在计算时要尤为注意。

2 有限元模型创建

2.1 细网格模型

从全船有限元模型中截取的模型一般为不含加强结构的粗网格模型。首先要根据系泊加强的设计图纸建立结构模型，并对加强结构应力评估区域的网格进行细化，细化网格大小为50×50，细网格区域的延伸距离评估区域至少10个网格大小。注意：在对系泊加强结构赋板厚属性时，要注意扣除规范规定的腐蚀余量，对于系泊加强结构的腐蚀余量扣除不小于2 mm。

2.2 创建边界条件及约束

边界条件的施加主要是为了消除模型的刚体位移，现对

横舱壁位置施加X、Y、Z三个平动约束，对系泊甲板所在的上下层甲板位置也施加X、Y、Z三个平动约束。

系泊设备采用多点约束中RBE2来进行模拟，载荷施加点为非独立点，与其连接的独立点施加在系泊设备与加强结构连接的位置，多点约束方式见图2。

图2 系泊设备的多点约束形式

2.3 确定工况

在此选图1和表2中相对应的4号带缆桩进行分析计算。表2中得出4号带缆桩作为系泊和港口拖带使用，图1中看出缆绳分为朝艉和朝舷布置，朝艉布置仅作为系泊使用。朝舷布置既可作为系泊使用也能作为港口拖带使用，由于作为系泊使用时2根缆绳接近180°，其产生的作用力过小，因此不做考虑，朝舷布置时按港口拖带使用进行计算。综上其评估工况分为朝艉的系泊工况及朝舷的港口拖带工况，表3中的计算载荷是按系泊的破断载荷及港口拖带的安全工作载荷乘以1.25倍的安全系数取值。

表3 计算工况

用途工况计算载荷/ kN

说明

系泊LC1821在XY平面内沿-Y方向和-X+Y45。

港拖

LC2

519

方向在XY平面内沿+Y方向

3 结构设计优化分析

3.1 初始系泊加强结构

带缆桩系泊加强的初始结构设计参照以往散货船执行，

在带缆桩长边布置方向设置两道扁铁，短边方向设置两根扁铁连至纵向位置，加强扁铁大小为FB200X20 AH36，为保证支撑结构载荷的有效传递，支撑结构应尽可能的连接至船体强框架位置，如图4所示。

图3 带缆桩加强布置

3.2 优化前应力评估结果

通过以上工况载荷进行加载分析，所得应力结果见图4和图5。

图4 LC1优化前合成应力云图

图5 LC2优化前合成应力云图

从计算结果的应力云图可以看出：

1）将系泊设备作为刚体模拟，其在长边方向的两端因应力集中产生的应力比较大。

2）从应力结果分析，初始系泊加强结构的应力对比评估衡准还有较大裕度。

3.3 优化后应力评估结果

带缆桩加强结构形式合理无需优化，其厚度仍有优化的空间，笔者根据初始结构的强度裕度将加强结构的厚度改为15，再做分析计算，其结果见图6和图7。

基础科技

表3计算结果工况

合成应力/MPa

剪切应力/MPa

LC1

优化前

21675优化后279130LC2

优化前

11456优化后

17894评估衡准

355

213

图6 LC1优化后合成应力云图

图7 LC1优化后合成应力云图

系泊加强结构厚度优化以后，合成应力和剪切应力值较之前均有较大增加，但距衡准值仍有一定的裕度。考虑到模拟计算与实际结果存在一定的误差，基于安全因素考虑，15厚度的加强结构已较为合理，无需做进一步优化。

4 结语

通过有限元分析计算可以直观地了解系泊加强结构的受力特点及应力较大区域，进而有针对性地对应力超高区域进行有效加强，同时对应力较小区域进行优化，避免冗余加强。经过初步估算，本船在系泊加强上的重量相对于未做优化分析的散货船减轻约20%，系泊加强结构重量的减轻不仅降低

船舶重心的高度，同时也为后期空船重量控制提供了便利。另外结构厚度的减小，相应的加强结构的焊角也减小，节约了工时和焊材的使用。

参考文献：

[1]. DNV GL RULES FOR CLASSIFICATION 2016.[2]. ISO 13795-2012-WELDING STEEL BOLLARDS.

[3]. 张冠楠，孙慧莉.系泊设备及结构加强的规范分析及应用[J]. 船舶设计通讯, 2014,(2):78-81.

[4]. 闫晋辉，罗桂山.系泊拖带设备船体加强结构的强度分析[J]. 浙江海洋学报(自然科学版), 2017.1.

船舶物资与市场 7