用于应急拖带的巴拿马导缆孔选型问题研究.pdf

第 卷 第 期 年 月 船 海 工 程 ： - 用于应急拖带的巴拿马导缆孔选型问题研究 倪伟平，翟帅帅 （上海船舶研究设计院，上海 ） 摘 要：针对应急拖带模式下的巴拿马导缆孔受力及其强度问题，从拖带模式和拖索角度入手设定导缆 孔负载工况，借助有限元法，以导缆孔规格、孔体厚度、肘板数量为变量对导缆孔进行结构强度分析，同时考虑 拖行限速的影响，根据应力分析为导缆孔的选型提供建议。 关键词：应急拖带，巴拿马导缆孔，强度校核，有限元法，拖行限速要求 中图分类号： 文献标志码： 文章编号：- （）- - 收稿日期： 修回日期： 第一作者简介：倪伟平（ ），男，硕士，工程师 研究方向：船舶舾装属具结构分析与优化 E- mail： 随着应急拖带功能被广泛应用于散货船 ， 船舶在设计之初需考虑设置应急拖带设备，包括 拖索、系泊属具等。 根据散货船共同规范要求，船舶配备的拖索 力要远大于其系泊索作用力 ，用于应急拖带的 导缆孔将直接承受拖索的巨大负荷，导缆孔的选 择至关重要。 目前国内最为广泛的导缆孔标准是（ ）枟巴拿马运河导缆孔枠，但该标准没有 给出相关导缆孔的安全载荷 ，这为应急拖带导 缆孔的选型带来困难。 对于上述用于应急拖带的 导缆孔，船级社大多要求船舶设计者提供导缆孔 强度计算报告。 很多船东担心现有规格的导缆孔 不能够满足应急拖带的要求，而提出增大导缆孔 规格的要求，其尺寸规格往往超出国标范围。 用于应急拖带的导缆孔选型问题颇为突出，但 其归根结底是导缆孔在拖索作用时的强度问题。 拖索作用力分析 根据应急拖带样本 ，应急拖带基本模式为 拖索一端与拖轮或者拖带船舶连接，另一端通过 位于被拖带船舶上的导缆孔系于带缆桩或者系泊 绞车之上。 导缆孔受拖索作用，包括水平作用和垂向作 用。 垂向作用分为向上和向下两种情况，其作用 角度如图 所示 - 。 水平作用于导缆孔的拖索， 其水平夹角可根据拖带模式确定，这里假定在 之间。 图1 导缆孔受力示意 拖索作用于导缆孔时，与导缆孔孔体表面圆 弧段产生接触，从而产生压力，见图 。 假定该压 力沿拖索直径在接触面上均匀分布，接触面长度 可依照拖索角度确定。 图2 拖索作用力示意 拖索通常作用于导缆孔的中部，而导缆孔中 部通常设有水平和向下支撑肘板。 实际拖带过程 中，拖索未必严格按照上述要求作用在有肘板支 撑的部位，而是有一定的偏移量，其极限状态是拖 年 第 期 倪伟平，等：用于应急拖带的巴拿马导缆孔选型问题研究 船海工程 第 卷 索刚好作用于支撑肘板中间部位。 此外，由于导 缆孔在支撑肘板之间的部分相对薄弱，导缆孔在 制作之初可根据实际需要增加支撑肘板。 以设置 组肘板和 组肘板舷墙式导缆孔为例，可获得 组典型工况，如图。 第一组工况包括工况 、 工况 及工况 ；第二组工况包括工况 、工况 及工况 ；第三组工况包括工况 、工况 及工况 。 图 3 导缆孔受力工况分析 应急拖带作用下巴拿马运河导缆 孔强度分析 根据散货船共同规范要求，散货船要求配备 的拖索力最大可达 ，拖索不考虑动态系 数，假定拖索钢丝绳直径范围为 之 间，选取国标中 和 两型巴拿马运河 导缆孔，由此获得以下数据，见表。 借助有限元 法进行强度分析，其衡准为导 缆孔在拖索作用时应力不超过材料的屈服极限， 导缆孔材料屈服极限为 。 2 1 第一组工况强度计算结果分析 当拖索作用于肘板支撑的部位时，其应力最 大点出现在肘板处，孔体表面应力相对较小，具体 见表。 型巴拿马运河导缆孔有限元模型 及水平载荷下的典型应力云图，见图。 表1 导缆孔压力载荷计算 规格基本尺寸 拖索角度 （ ）合成力 接触长度 拖索直径 计算压力 葺 孔体厚度 水平$ 噜媼.蜒 向下$ 噜媼.蜒 向下 ; 噜媼.蜒 向上 ; 噜媼.蜒 葺 孔体厚度 栽 水平$ 噜媼.蜒 向下$ 噜媼.蜒 向下 ; 噜媼.蜒 向上 ; 噜媼.蜒 葺 孔体厚度 栽 水平$ 噜媼.蜒 水平$ 噜媼.蜒 水平$ 噜媼.蜒 水平$ 噜媼.蜒 水平$ 噜媼.蜒 表2 第一组工况强度计算结果 规格 孔体厚度 肘板 数量 拖索角度 （ ） 合成力 工况 压力 最大应力 最大应力 位置 孔体应力 破 水平鲻 换/ 肘板. 向下鲻 换/ 肘板. 向下 换/ 肘板 向上 换/ 肘板 破 水平鲻 换/ 肘板 向下鲻 换/ 肘板 向下 换/ 肘板 向上 换/ 肘板 破 水平鲻 换/ 肘板 水平鲻 换/ 肘板 水平鲻 换/ 肘板 水平鲻 换/ 肘板 水平鲻 换/ 肘板 年 第 期 倪伟平，等：用于应急拖带的巴拿马导缆孔选型问题研究 船海工程 第 卷 图 4 有限元模型及应力云图 应急拖带力达到最大要求时， 型导 缆孔的强度基本达到极限， 型导缆孔还有 一定的裕度。 拖索对导缆孔的水平作用大于垂向 作用，而垂向作用中，向下作用大于向上作用。 当 拖索水平夹角在 之间变化时，其水平合 力减小，对导缆孔的作用也相应减小，拖索夹角在 左右时，对导缆孔的要求最为苛刻。 2 2 第二组工况强度计算结果分析 如表 所示，当拖索作用于导缆孔水平肘板 和垂直肘板之间时，孔体表面应力高度集中，并高 于材料屈服极限，而肘板应力相对较小，肘板对孔 体的支撑作用不明显。 导缆孔在支撑肘板区域属 于薄弱环节，因此建议在应急拖带作业中，拖索定 位应尽量避开该区域，以免对导缆孔造成致命伤 害，影响拖带。 表3 第二组工况强度计算结果 规格 孔体厚度 肘板 数量 拖索角度 （ ） 合成力 工况 压力 最大应力 最大应力 位置 肘板应力 破 水平鲻 换/ 孔体 向下鲻 换/ 孔体 向下 换/ 孔体 向上 换/ 孔体E 破 水平鲻 换/ 孔体 向下鲻 换/ 孔体 向下 换/ 孔体 向上 换/ 孔体 2 3 第三组工况强度计算结果分析 针对上述分析结果中导缆孔所暴露出的问 题，可通过增加肘板密度来提高导缆孔的强度，其 计算结果见表。 表4 第三组工况强度计算结果 规格孔体厚度 肘板数量拖索角度 （ ）合成力 工况压力 最大应力 最大应力位置 破w弿 水平 U u 梃孔体 向下 U u 梃孔体 向下 R U u 梃孔体 向上 R U u 梃孔体 破w弿 水平 U u 梃孔体 向下 殮*适 L倐父铑$Z悙 年 第 期 倪伟平，等：用于应急拖带的巴拿马导缆孔选型问题研究 船海工程 第 卷 表 6 其他情况强度计算结果 规格 孔体厚度 肘板 数量 拖索角度 （ ） 合成力 工况 压力 最大应力 最大应力 位置 貂w弿 水平櫃 洓 u/ 肘板 向下櫃 洓 u/ 肘板 向上 洓 u/ E肘板 水平櫃 洓 u/ 孔体 向下櫃 洓 u/ 孔体 向上 洓 / 孔体 貂w弿 水平櫃 洓 / 孔体 向下櫃 洓 / 孔体 向上 洓 / 孔体 貂w弿 水平櫃 洓 u/ 孔体 向下櫃 洓 u/ 孔体 貂w弿 水平櫃 洓 / 孔体 向下櫃 洓 / 孔体 貂w弿 水平櫃 洓 u/ 孔体 向下櫃 洓 u/ 孔体 貂w弿 水平櫃 洓 / 孔体 向下櫃 洓 / 孔体 对于 导缆孔，当拖索作用在水平和垂 直肘板处，满足强度要求，并有很大的裕度，此时 肘板对导缆孔的支撑作用是显而易见的。 但是当 拖索作用于肘板之间的部位时，孔体厚度虽然有 所加大，拖索作用反而加重，此时支撑肘板对于改 善孔体薄弱区域的影响不大。 随着导缆孔孔体尺 寸增大，导缆孔重量会大大增加，对于小型船舶而 言，反而是不利的。 根据计算可知，单纯增加导缆孔孔体厚度对 于提高导缆孔强度效果并不明显，如果同时增加 支撑肘板密度则可有效增大导缆孔强度，或可满 足最为苛刻的工况要求。 拖行限速要求对导缆孔强度分析 的影响 船舶实际运营中，如遇应急拖带，则需要根据 天气和海况限速，这一要求意在降低船舶拖带阻 力，提高拖索的安全载荷。 中国船级社发行的 枟海上拖行指南枠对船舶阻力和拖带力有明确要 求，天气适度时，拖索力至少是拖行阻力的 倍， 即拖索安全载荷为；恶劣天气时，拖索力至少是 拖行阻力的 倍，拖索安全载荷为 。 图 清晰 地表达了船舶阻力和拖带力的关系，其中拖带力 最大不超多 。 基于上述要求，拖带作用时，无论上述哪种工 况， 型、 型导缆孔都完全满足强度要 图5 拖行阻力与拖带力 求，可不必增大厚度。 结论 用于应急拖带的巴拿马运河导缆孔可根据拖 索力进行选择，当拖索力小于 时，可采 用 及以下规格；当拖索力为 时， 建议采用 及以上规格的巴拿马运河导缆 孔；导缆孔根据需要增加支撑肘板以提高导缆孔 强度，同时通过加大肘板密度改善拖索的施力位 置，降低对导缆孔的作用。 基于国标， 型巴 拿马运河导缆孔无论在尺寸还是孔体厚度上都有 较大变化，更适合大型船舶。 拖索力不变时，增大导缆孔型号可以有效降 低拖索对导缆孔的破损。 但拖索作用位置对导缆 孔的破坏作用是至关重要的，因此建议拖索尽量 作用在有肘板支撑的部位。 有限元方法本身受模型、载荷加载方式等因 素限制，其计算结果往往与现实有一定的差异，但 综合考虑其衡准原则，该校核方法是偏保守的。 年 第 期 倪伟平，等：用于应急拖带的巴拿马导缆孔选型问题研究 船海工程 第 卷 拖行限速要求的实施，可以大大降低拖索力， 从而保证导缆孔的正常工作。 本文借助有限元方法对应急拖带作用时巴拿 马运河导缆孔强度进行校核，为其选型问题提供 了直接依据和合理建议， 型巴拿马运河导 缆孔则增加了导缆孔规格，拓宽了选择范围。 参考文献 ， - ， ， - ， 巴拿马运河导缆孔 国家技术监督 局， ， “ ” ， （ ） ， ， ， 刘兵山，黄 聪 从入门到精通 北京中国 水利水电出版社， NI Wei- ping， ZHAI Shuai- shuai （ ， ， ） Abstract： ， ， ， ， ， - Key words： ； ； ； ； （上接第 页） 。 持续时间至少 （最好是 ），通过 压力传感器监测绝缘层内的压力变化情况，绘制 温度、压力变化曲线表。 结束语 公司所建立的严密的组织体系、人员培训计 划、完备的设备和模板使用计划、完善的材料购 买、储运及检验监管计划、货舱围护系统建造、测 试和检验计划及试验计划等，为后续承接 船 创造了一定的技术基础，有利于增加公司在 船市场领域的影响力，为薄膜型 船的设计和 建造进行技术储备。 参考文献 袁红良 薄膜型 （液化天然气）船船 型开发 船舶，（）：- 张筑耀 液化天然气（）用超低温不锈钢的焊接 及焊接材料 机械工人，（）