大型散貨船通航巴拿馬運(yùn)河和澳大利亞港口的船體系泊改裝設(shè)計(jì).docx

1、大型散貨船通航巴拿馬運(yùn)河和澳大利亞港口的船體系泊改裝設(shè)計(jì)王武，劉健龍，彭善輝，桂秋璐(舟山萬(wàn)達(dá)船舶設(shè)計(jì)有限公司，舟山316101)摘要：本文以180000DWT散貨船為例，對(duì)于通航巴拿馬運(yùn)河新閘及澳大利亞港口的散貨船，依據(jù)巳拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范和中國(guó)船級(jí)社(CCS)規(guī)范要求，對(duì)超過(guò)120000DWT的大型散貨船系泊設(shè)備及其船體支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)，并利用商用軟件MSC.Patran/MSC.Nastran對(duì)改裝區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，可供有關(guān)船舶設(shè)計(jì)人員價(jià)值。關(guān)鍵詞：巴拿馬運(yùn)河新閘；澳大利亞；系泊改裝；船體支撐結(jié)構(gòu)；有限元分析；強(qiáng)度校核中圖分類號(hào)：U662.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AModification

2、DesignofMooringforLargeBulkCarrierinPanamaCanalandAustralianPortsWANGWul,LIUJianlongl,PENGShanhuil,GUIQiulul(I.ZhoushanWonderfulMarineDesignCo.,Ltd.Zhoushan316101)Abstract:MajorshippingcompaniesdemandstheirbulkcarrierstonavigatethenewlockinthePanamaCanalandanAustralianport.Bytakingthe180000DWTbulkca

3、rrierasanexample,inaccordancewiththerequirementsofthenewlocksofthePanamaCanalandtheChinaClassificationSociety(CCS),themooringequipmentanditssupportingstructureforbulkcarriersofmorethan120000DWTarcmodifiedandoptimized,andthestrengthanalysisofthestructuresinthepartialmodifiedareaiscarriedoutbyusingthe

4、commercialsoftwareMSC.Patran/MSC.Nastran.Keywords:NewlockofPanamaCanal;Australianport;Mooringmodification;Supportinghullstructure;FEM;Strengthcheck1 前言巴拿馬運(yùn)河自1914年通航以來(lái)，巳成為全球重要航道。由于通過(guò)巴拿馬運(yùn)河的船舶，需借助外力的牽引，因此巴拿馬當(dāng)局制定了通航巴拿馬運(yùn)河新閘的規(guī)范要求（包括帶纜樁、導(dǎo)纜孔、拖帶負(fù)載等）。此外，澳大利亞是煤炭、鐵礦石等散貨出口大國(guó)，澳大利亞港口亦有相應(yīng)的規(guī)范要求。因此，通航澳大利亞港口并經(jīng)巴拿馬運(yùn)河的散貨

5、船須同時(shí)滿足兩地的系泊拖帶要求。2 系泊設(shè)備的改裝要求2.1對(duì)系泊布置的要求2.1.1通航巴拿馬運(yùn)河新閘的要求依據(jù)巴拿馬運(yùn)河新閘對(duì)通航船舶的規(guī)范，分別按船舶的尺寸特征歸為七類。設(shè)計(jì)者只需根據(jù)船舶的尺寸特征，按照對(duì)應(yīng)的類別進(jìn)行選型與配置，從而滿足船舶通航巴拿馬運(yùn)河新閘的要求，具體分類見表1所列，運(yùn)河新閘對(duì)通航船舶系泊設(shè)備的具體布置要求見圖lo2.1.2通航澳大利亞某港口的要求（1）黑德蘭港口的要求依據(jù)CCS楙通告（2018年）第19號(hào)總第345號(hào)''關(guān)于澳大利亞黑德蘭港系泊設(shè)備新要求的通告”；該港口僅針對(duì)120000DWT的好望角型船舶，要求其在船尾中心或中線附近處設(shè)有用于拖帶的

6、帶纜樁及導(dǎo)纜孔，作者簡(jiǎn)介：王武（1987-），男，工程師。主要從事船舶總舸設(shè)計(jì)工作。劉健龍（1992-）,另，助理工程師。主要從事船舶總胭設(shè)計(jì)工作。收稿日期：2021-01-14表1巴拿馬運(yùn)河新閘燃范對(duì)通航船仙的分類及系泊設(shè)備的選型類別船急尺寸()-系泊設(shè)備位置及安全I(xiàn)：作負(fù)荷SW1.<t)備注AorBCDEFGH1(1)38.1-60.96或船寬U5.2464"45.36(2)船長(zhǎng)38.1121.92,或船寬15.2422.8664d45.36'45.36'45.36(3部長(zhǎng)121.92-173.74,或照寬22.866妒45.36*6445.36445.36

7、*船長(zhǎng)174.74-274.74.或船寬22.866464'64"45.3645.36*45.3&d：雙柱式(5)船長(zhǎng)274.32-291.13,或船寬32.3164"64，6464°45.36'45.3645.36，s；單柱式274.32294.13,成船寬27.7332.3145.36'(7)船K船長(zhǎng)294.13,或船寬32.31,或結(jié)構(gòu)吃水12.04-15.26妒64，646490，90*90'90'注II點(diǎn)特殊般型增加船首船尾距舶解3n世犯時(shí)、叫仙.如；很孔|_5|*3£|HiBiJt平個(gè)&

8、JI尋tft孔時(shí).叫用8點(diǎn).9晚孔*3£|HiBiJt平個(gè)&JI尋tft孔時(shí).叫用8點(diǎn).9晚孔履)：§>勤理騷昆12-IG距船盡316m|tti岫用T*ifi何廊JP足24-28距般甩16-60n注，F(xiàn)點(diǎn)用5'®齡晅船由24_28n跑的珀67(|.注，EAfflTlli寺船首2.570i>ife：C點(diǎn)用于慕泊.距恂柯-汩岫.用JW帶%：圖1巴拿馬運(yùn)河新閘對(duì)通航船舶系泊設(shè)備的具體布健位置要求安全工作負(fù)荷為不小于120to考慮此點(diǎn)與通航巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范要求中的A點(diǎn)位置重合，故采用同一帶纜樁及導(dǎo)纜孔，滿足系泊64t.拖帶120t的要求。(2

9、) PPA港口的要求以達(dá)爾林普爾灣煤炭運(yùn)輸港為例，其通告要求用于綁拖的帶纜樁及導(dǎo)纜孔安全工作負(fù)荷為65to考慮通航巳拿馬運(yùn)河新閘要求中的E、F、H點(diǎn)可以滿足以上要求，而C、D點(diǎn)及首尾A點(diǎn)位置適當(dāng)微調(diào)也可滿足以上要求，故將C、D點(diǎn)及首尾A點(diǎn)的系泊安全工作負(fù)荷由64t提高到65to2.2系泊設(shè)備的選擇與定位180000DWT散貨船的主尺度：總長(zhǎng)295.00m垂線間長(zhǎng)285.00m型寬46.00m型深24.80m設(shè)計(jì)吃水16.50m結(jié)構(gòu)吃水18.10m根據(jù)以上主要參數(shù)，本船符合巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范類別中的第七類(見表1)。故考慮優(yōu)先順序?yàn)椋?1) 優(yōu)先使用原船上的帶纜樁及導(dǎo)纜孔，滿足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范

10、的系泊配置要求：<2)盡量避免在底下有大油艙的甲板面上改裝或新增系泊件；(3) 改裝時(shí)避開甲板上透氣管、液壓油管、舷梯等設(shè)備；(4) 圖1中H點(diǎn)帶纜樁及導(dǎo)纜孔，需設(shè)計(jì)在本船錨臺(tái)與船中的扇形范圍內(nèi)：(5) 圖1中的C點(diǎn)(SET1)及D點(diǎn)(SET4)的位置需設(shè)計(jì)為絞乍主卷筒能夠通過(guò)導(dǎo)向?yàn)槠涮峁﹦?dòng)力。為此，分別對(duì)船首、船尾兩個(gè)部分進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，如圖2和圖3所示(圖示為左舷，右舷與左舷對(duì)稱)。船首部分：(1) 巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范A點(diǎn)：帶纜樁和導(dǎo)纜孔搭配應(yīng)用于系泊，安全工作負(fù)荷為65t：首樓甲板FR327處，原船導(dǎo)纜孔為BC500；首樓甲板FR320處，原船帶纜樁為DN560。兩者位置及載荷，均

11、滿足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范要求；(2) 巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范H點(diǎn)：帶纜樁和導(dǎo)纜孔搭配應(yīng)用于拖帶，安全工作負(fù)荷為90t：首樓甲板FR320處，左右舷新增帶纜樁A500A；首樓甲板FR324處，左右舷新增(舷墻式)導(dǎo)纜孔13450x250x428,兩者位置及載荷，均滿足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范要求，亦滿足澳大利亞PPA港口要求：（3）巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范C點(diǎn)：帶纜樁和導(dǎo)纜孔措配應(yīng)用于系泊，安全工作負(fù)荷為65t；首樓甲板FR3O9*3430處，原船帶纜樁為DN630：首樓甲板FR311處，左右舷新增（甲板式）導(dǎo)纜孔A400x250x38L兩者位置及載荷，均滿足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范要求；（4）巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范E點(diǎn)：

12、帶纜樁和導(dǎo)纜孔搭配應(yīng)用于拖帶，安全工作負(fù)荷為90t；主甲板FR268'碩處，原船帶纜樁DN630；主甲板FR271處,原船導(dǎo)纜孔DSA2-425x280。兩者位置及載荷，均滿足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范要求，亦滿足澳大利亞PPA港要求。主甲板FR-2*處，原船帶纜樁DN630o兩者位置及載荷，滿足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范要求，亦滿足澳大利亞PPA港要求；（4）巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范A點(diǎn)：帶纜樁和導(dǎo)纜孔搭配應(yīng)用于系泊，安全工作負(fù)荷為65I；當(dāng)應(yīng)用于拖帶時(shí)，安全工作負(fù)荷為120t；主甲板尾部FR-2處，原帶纜樁DN630：主甲板尾部，原船導(dǎo)纜孔DSA2-600x320,原設(shè)計(jì)安全工作負(fù)荷148t,可以滿足要

13、求，不必進(jìn)行計(jì)算：以上兩者位置及系泊載荷，滿足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范要求，其拖帶載荷亦滿足澳大利亞黑德蘭港口對(duì)于120000DWT以上的散貨船尾部拖帶的要求。27(1圖2首部系泊設(shè)備布由系泊，SWU65TJ上甲板船尾部分:（1）巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范F點(diǎn)：帶纜樁和導(dǎo)纜孔搭配應(yīng)用于拖帶，安全工作負(fù)荷為90t：主甲板FR13處，左右舷各新增一個(gè)帶纜樁A500A；主甲板FR14處，左右舷各新增一個(gè)（甲板式）導(dǎo)纜孔A450x250x428o兩者位置及載荷，均滿足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范要求，亦滿足澳大利亞PPA港要求；（2）巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范D點(diǎn)：帶纜樁和導(dǎo)纜孔搭配應(yīng)用于系泊，安全工作負(fù)荷為651；主甲板FR2處，

14、左右舷各新增一個(gè)（甲板式）導(dǎo)纜孔A400x250x381；主甲板FR4*處，原船帶纜樁DN630。兩者位置及載荷，滿足巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范要求：（3）巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范H點(diǎn)：帶纜樁和導(dǎo)纜孔搭配應(yīng)用于拖帶，安全工作負(fù)荷為90t；主甲板尾部，左右舷各新增一個(gè)（甲板式）導(dǎo)纜孔A450x250x428；3系泊改裝區(qū)域有限元計(jì)算分析根據(jù)規(guī)范改裝后，由系泊設(shè)備布置圖分析得出：首部A點(diǎn)（帶纜樁）、H點(diǎn)（帶纜樁/導(dǎo)纜孔）、C點(diǎn)（導(dǎo)纜孔）、E點(diǎn)（帶纜樁），以及尾部A點(diǎn)（帶纜樁）、H點(diǎn)（帶纜樁/導(dǎo)纜孔）、D點(diǎn)（導(dǎo)纜孔）、F點(diǎn)（帶纜樁/導(dǎo)纜孔）需要進(jìn)行船體支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，因此采用商用軟件MSC.Patran/Nas

15、tran對(duì)船體結(jié)構(gòu)建立有限元模型及計(jì)算分析。3.1坐標(biāo)系為了方便有限元模型的建立，全局坐標(biāo)系均位于甲板上表面，其方向如下：X軸沿船體縱向方向，指向船首；Y軸沿船體橫向方向，指向左舷：Z軸沿船體垂向方向，垂直甲板向上。3.2材料特性甲板板架結(jié)構(gòu)采用CCS-A級(jí)鋼構(gòu)成，計(jì)算中材料的物理特性參數(shù)如下：彈性模量E=2.06X10nN/ni2；泊松比P=0.3；屈服點(diǎn)os=235Mpa：密度P=7.85t/n?。另外，根據(jù)中國(guó)船級(jí)社規(guī)范要求，系泊拖帶il算時(shí)，各個(gè)構(gòu)件凈尺寸須去除2mm的腐蝕余量。3.3載荷工況根據(jù)規(guī)范，系泊所受最大外力為船用配件SWL的1.15倍，拖帶所受最大外力為船用配件SWL的1.

16、25倍，載荷施加方式為纜繩實(shí)際出繩和極限出繩方向，載荷的受力點(diǎn)均取設(shè)備的實(shí)際高度。在有限元模型中，所有的載荷以MPC多點(diǎn)約束單元中REB2剛性單元施加到帶纜樁與導(dǎo)纜孔的受力點(diǎn)位置。在選項(xiàng)卡中，IndependentNode為載荷的受力點(diǎn)，DependentNode為連接船體支撐結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)。3.4邊界條件在距帶纜樁、導(dǎo)纜孔支撐結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)處的甲板、艙壁、縱桁、強(qiáng)橫梁邊界處，限制x、y、z三個(gè)方向的平動(dòng)自由。3.5有限元模型建立了三個(gè)有限元模型，分別為首樓甲板模型、腫部主甲板模型以及尾部主甲板模型，如圖46所示。隨后，對(duì)帶纜樁和導(dǎo)纜孔進(jìn)行了簡(jiǎn)化建模，完成有限元計(jì)算強(qiáng)度分析。圖4有限元模型一圖5有限元模

17、型二圖6有限元模型三3.6應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)板單元的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，包括單元各節(jié)點(diǎn)及參考點(diǎn)上的。八。八r及Oe等。本文采用Mises合成應(yīng)力。吟按下式計(jì)算：j=加：F（1）許用應(yīng)力取o=235許用剪切應(yīng)力為0.6。=141Mpao根據(jù)CCS規(guī)范（2018年版），船體支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)件的組合應(yīng)力許用應(yīng)力，等于100%材料的屈服應(yīng)力，即235.0Mpao3.7結(jié)果分析依據(jù)上述計(jì)算分析，經(jīng)局部加強(qiáng)后，甲板卜的支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。4小結(jié)巴拿馬運(yùn)河新閘規(guī)范對(duì)大型散貨船系泊件的布置有一定要求。本文以通航巴拿馬運(yùn)河相關(guān)規(guī)范為前提，以一艘180000DWT大型散貨船為基礎(chǔ)，對(duì)其系泊布置進(jìn)行了改裝設(shè)計(jì)，闡述了系泊設(shè)備的具體布置、選型以及船體支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，并通過(guò)前期的設(shè)