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摘 要：船舶在系泊作业时，受外部气候条件风、浪、涌等影响，受到的外力是相当复杂的。通过有限元法对系泊设备加强结构进行强度分析，可确定结构布置和构件尺寸。本文按照中国船级社（CCS）《钢质海船入级规范》有限元分析计算方法，借助PATRAN有限元分析软件，分析了系泊设备加强结构的强度。通过分析，确定了满足结构强度要求的方案，得出了系泊设备加强结构布置的一般规律。
关键词：系泊;结构加强;有限元分析
中图分类号：U663.7 文獻标识码：A
Abstract： In the ship mooring operation， the external force of the mooring equipment is usually complicated by the influence of wind， wave and surge. The structural arrangement and component size can be determined by analyzing the strength of supporting hull structure of mooring equipment by finite element method. This paper analyzes the strength of supporting hull structure of mooring equipment by means of PATRAN finite element analysis software according to the finite element analysis and calculation method of CCS Rules for Classification of Sea-Going Steel Ships. By analyzing and determining the scheme to meet the structural strength requirements of the CCS rules， the general law of supporting hull structure arrangement of mooring equipment is obtained.
Key words： Mooring; Supporting hull structure; Finite element analysis
1 前言
有限元分析法计算精确度高，且适用于复杂形状的结构，其应用领域在迅速扩大，已成为行之有效的工程分析手段，帮助处理复杂的工程设计问题。
船舶在设计建造过程中，往往会遇到以下问题：
（1）设备支撑结构的强度不够，导致局部区域振动过大;
（2）需控制材料规格，避免船体结构重量超过预期;
（3）船东对高应力区域结构强度提出质疑。
针对上述情况，我们在某船设计中运用PATRAN软件，对系泊设备加强结构进行强度分析，得出核算区域甲板、加强结构的应力分布和变形情况，优化结构设计方案，最终得到满足规范要求的设计方案。
2 CCS《钢规》对有限元分析的建模要求
CCS《钢规》中明确了有限元分析的负荷模型范围、边界条件、单元设置及网格划分等选取要求。
2.1 负荷要求
按照常规船舶的布置要求，系泊设备应位于甲板或平台结构骨架上，通过横梁、纵梁等骨材传递系泊负荷。系泊设备及船体加强结构的设计负荷，应为《钢规》中舾装数N对应的系索破断强度的1.25倍。
2.2 模型范围
运用PATRAN软件建立局部结构模型，模型范围为：以系泊设备布置区域的有效作用平面为中心，在船长和船宽方向分别扩展至少一倍的距离;平面总建模区域为系泊设备作用平面的三倍;高度方向从系泊设备作用平面扩展至该平面以下的连续平台结构，若范围过大则最少为船舶型深的四分之一;所建模型的前后边界应跨过一档强结构，若边界未达到船体的强结构处，模型范围应适当延伸。
2.3 边界条件
运用PATRAN软件建立局部结构模型，边界条件在模型的端部，可以采用自由支持或者刚性固定。为了使计算结果不受边界条件的影响，一般将模型的范围适当扩大，减少因模型范围选取不当而产生对计算结果的影响。
2.4 单元选取
运用PATRAN软件建立局部结构模型，应合理选取建模单元。其中，船体的主体结构板架及强框架采用4点板单元模拟;一般框架、骨材和加强筋等采用梁单元模拟;为减少单元选取对计算结果的影响，尽量不使用三角形单元。
2.5 网格划分
运用PATRAN软件建立局部结构模型，网格划分应尽可能按照船体肋骨间距、纵骨横向间距、纵骨垂向间距进行相应划分;划分时网格形状要规则，尽量接近正方形，过渡要顺缓;
船体结构强框架（强横梁、纵桁等）在进行网格划分时，其结构腹板在高度方向应≥3 个单元。
3 有限元模型的建立
本文选择某船中主甲板一组系泊设备的加强结构作为有限元分析对象，运用PATRAN软件建立局部结构模型，对上述系泊设备的加强结构进行强度分析，得出局部结构模型在设定工况下的应力大小和变形量。具体的各项参数选取要求如下： 3.1 模型范围
模型沿船长方向从尾部FR0向首至FR15处;沿船宽方向从左舷至船中;沿船垂向从船底至主甲板。
3.2 结构模拟
所建立的局部结构模型，其船体结构包括如甲板、外板等主体结构及横梁、纵骨等一般结构。其中：甲板、外板、强横梁腹板等主要构件均为4节点板单元，强横梁面板、甲板纵骨等次要构件均为2节点梁单元。
3.3 模型坐标系
根据右手坐标系法则定义有限元模型坐标系方向：以船底型表面中心線与舵轴中心线交点为原点，纵向以船首为正、横向以左为正、垂向以向上为正。
4 构件尺寸和材料
依据船体分段结构图中的构件规格，作为有限元模型中采用的构件尺寸。
模型中构件材料的物理参数如下：
杨氏模量 E = 2.06 x 105 MPa
泊松比 μ = 0.3
密度 ρ = 7.85x10-9 t/mm3
5 应力分析
根据《钢规》要求，对一组带缆桩、导缆孔下的加强结构进行强度分析：借助PARTAN有限元分析软件，得出加强结构所受应力情况，将其与《钢规》中要求的许用应力比较，若超出许用应力值，则对加强结构进行优化，以得到满足要求的结果。
5.1 强度准则
根据《钢规》规定，进行有限元分析时采用合成应力作为校核衡准。合成应力应不大于材料最小屈服点。本船采用的材料为CCS-A级钢，其屈服极限为235 MPa。
5.2 计算结果
系泊设备位于舷侧甲板结构横梁上，按照设计负荷应为系索破断强度1 617 kN的1.25倍，即设计负荷为2 021.25 kN。根据计算结果，在主甲板系泊处结构所产生的最大合成应力为346 MPa，超出许用应力235 MPa，不能满足规范要求。
图1为未增加结构加强前，主甲板系泊处结构合成应力情况。
由图1可知：支撑结构产生的最大346 MPa合成应力位于系泊设备下方支撑纵骨及肘板上，表明系泊设备的工作负荷主要由设备下方支撑结构承担。
为减少系泊设备下方支撑结构所受应力，将系泊设备下方的加强结构进行加密布置，每半档增加加强结构。新增加强构件在设计时，一方面从结构形式考虑，尽可能与相邻结构形式相似，方便构件间过渡连接;另一方面从构件尺寸考虑，其强度满足规范即可，不宜增加过多，且构件规格尽可能少。为此，确定加强结构方案如下：系泊设备下方增加两个厚度为t=10 mm、折边为80 mm的肘板;带缆桩下方增加四根规格为HP260*12的球扁钢。图2为增加加强结构后的结构示意图。
6 有效性分析
在增加加强结构后，得到主甲板下支撑结构处合成应力为221 MPa ，小于许用应力值，满足规范要求。
图3为增加加强结构后，主甲板下支撑结构合成应力图。
7 结论
（1）系泊设备在原加强结构形式下，系泊处主甲板下支撑结构所受合成应力的最大值为346 MPa，超出许用应力值，不满足规范要求;在增加加强结构后，主甲板下支撑结构所受合成应力的最大值为221 MPa小于许用应力235 MPa，满足规范要求，新增加强结构设计合理;
（2）系泊设备负荷主要通过主甲板下支撑结构进行传递，对下支撑结构进行合理的加密处理，设置连接肘板、加强筋能够有效地将系泊设备负荷传递到甲板、横梁、纵骨等结构上;
（3）通过PARTAN有限元分析结果可以看出，本增加加强结构设计方案能够有效地减少系泊处主甲板下支撑结构的应力集中，保证结构设计强度，可供在类似系泊设备结构加强中参考。
参考文献
[1] 闫晋辉，罗桂山.系泊拖带设备船体加强结构的强度分析[J].浙江海洋学院学报（自然科学版），2017，36（1）：34-41.
[2] 熊志鑫.船舶结构有限元建模与分析[M]. 上海：上海交通大学出版社，2014.
[3] 中国船舶工业集团公司，中国船舶重工集团公司，中国造船工程学会.船舶设计实用手册（舾装分册）[M].北京： 国防工业出版社，2013.
[4]中国船舶工业集团公司，中国船舶重工集团公司，中国造船工程学会.船舶设计实用手册（结构分册）.[M].北京： 国防工业出版社，2013.
[5] 中国船级社.钢质海船入级规范（第二分册）[M].北京： 人民交通出版社，2018.
[6] 张超， 纪肖， 凌伟.起重机基座支撑结构强度分析[J].船舶工程，2014，12：54-59.
[7] 龙凯， 贾长治.Patran2010与Nastran2010有限元分析从入门到精通[M].北京： 机械工业出版社，2011.
关键词：系泊;结构加强;有限元分析
中图分类号：U663.7 文獻标识码：A
Abstract： In the ship mooring operation， the external force of the mooring equipment is usually complicated by the influence of wind， wave and surge. The structural arrangement and component size can be determined by analyzing the strength of supporting hull structure of mooring equipment by finite element method. This paper analyzes the strength of supporting hull structure of mooring equipment by means of PATRAN finite element analysis software according to the finite element analysis and calculation method of CCS Rules for Classification of Sea-Going Steel Ships. By analyzing and determining the scheme to meet the structural strength requirements of the CCS rules， the general law of supporting hull structure arrangement of mooring equipment is obtained.
Key words： Mooring; Supporting hull structure; Finite element analysis
1 前言
有限元分析法计算精确度高，且适用于复杂形状的结构，其应用领域在迅速扩大，已成为行之有效的工程分析手段，帮助处理复杂的工程设计问题。
船舶在设计建造过程中，往往会遇到以下问题：
（1）设备支撑结构的强度不够，导致局部区域振动过大;
（2）需控制材料规格，避免船体结构重量超过预期;
（3）船东对高应力区域结构强度提出质疑。
针对上述情况，我们在某船设计中运用PATRAN软件，对系泊设备加强结构进行强度分析，得出核算区域甲板、加强结构的应力分布和变形情况，优化结构设计方案，最终得到满足规范要求的设计方案。
2 CCS《钢规》对有限元分析的建模要求
CCS《钢规》中明确了有限元分析的负荷模型范围、边界条件、单元设置及网格划分等选取要求。
2.1 负荷要求
按照常规船舶的布置要求，系泊设备应位于甲板或平台结构骨架上，通过横梁、纵梁等骨材传递系泊负荷。系泊设备及船体加强结构的设计负荷，应为《钢规》中舾装数N对应的系索破断强度的1.25倍。
2.2 模型范围
运用PATRAN软件建立局部结构模型，模型范围为：以系泊设备布置区域的有效作用平面为中心，在船长和船宽方向分别扩展至少一倍的距离;平面总建模区域为系泊设备作用平面的三倍;高度方向从系泊设备作用平面扩展至该平面以下的连续平台结构，若范围过大则最少为船舶型深的四分之一;所建模型的前后边界应跨过一档强结构，若边界未达到船体的强结构处，模型范围应适当延伸。
2.3 边界条件
运用PATRAN软件建立局部结构模型，边界条件在模型的端部，可以采用自由支持或者刚性固定。为了使计算结果不受边界条件的影响，一般将模型的范围适当扩大，减少因模型范围选取不当而产生对计算结果的影响。
2.4 单元选取
运用PATRAN软件建立局部结构模型，应合理选取建模单元。其中，船体的主体结构板架及强框架采用4点板单元模拟;一般框架、骨材和加强筋等采用梁单元模拟;为减少单元选取对计算结果的影响，尽量不使用三角形单元。
2.5 网格划分
运用PATRAN软件建立局部结构模型，网格划分应尽可能按照船体肋骨间距、纵骨横向间距、纵骨垂向间距进行相应划分;划分时网格形状要规则，尽量接近正方形，过渡要顺缓;
船体结构强框架（强横梁、纵桁等）在进行网格划分时，其结构腹板在高度方向应≥3 个单元。
3 有限元模型的建立
本文选择某船中主甲板一组系泊设备的加强结构作为有限元分析对象，运用PATRAN软件建立局部结构模型，对上述系泊设备的加强结构进行强度分析，得出局部结构模型在设定工况下的应力大小和变形量。具体的各项参数选取要求如下： 3.1 模型范围
模型沿船长方向从尾部FR0向首至FR15处;沿船宽方向从左舷至船中;沿船垂向从船底至主甲板。
3.2 结构模拟
所建立的局部结构模型，其船体结构包括如甲板、外板等主体结构及横梁、纵骨等一般结构。其中：甲板、外板、强横梁腹板等主要构件均为4节点板单元，强横梁面板、甲板纵骨等次要构件均为2节点梁单元。
3.3 模型坐标系
根据右手坐标系法则定义有限元模型坐标系方向：以船底型表面中心線与舵轴中心线交点为原点，纵向以船首为正、横向以左为正、垂向以向上为正。
4 构件尺寸和材料
依据船体分段结构图中的构件规格，作为有限元模型中采用的构件尺寸。
模型中构件材料的物理参数如下：
杨氏模量 E = 2.06 x 105 MPa
泊松比 μ = 0.3
密度 ρ = 7.85x10-9 t/mm3
5 应力分析
根据《钢规》要求，对一组带缆桩、导缆孔下的加强结构进行强度分析：借助PARTAN有限元分析软件，得出加强结构所受应力情况，将其与《钢规》中要求的许用应力比较，若超出许用应力值，则对加强结构进行优化，以得到满足要求的结果。
5.1 强度准则
根据《钢规》规定，进行有限元分析时采用合成应力作为校核衡准。合成应力应不大于材料最小屈服点。本船采用的材料为CCS-A级钢，其屈服极限为235 MPa。
5.2 计算结果
系泊设备位于舷侧甲板结构横梁上，按照设计负荷应为系索破断强度1 617 kN的1.25倍，即设计负荷为2 021.25 kN。根据计算结果，在主甲板系泊处结构所产生的最大合成应力为346 MPa，超出许用应力235 MPa，不能满足规范要求。
图1为未增加结构加强前，主甲板系泊处结构合成应力情况。
由图1可知：支撑结构产生的最大346 MPa合成应力位于系泊设备下方支撑纵骨及肘板上，表明系泊设备的工作负荷主要由设备下方支撑结构承担。
为减少系泊设备下方支撑结构所受应力，将系泊设备下方的加强结构进行加密布置，每半档增加加强结构。新增加强构件在设计时，一方面从结构形式考虑，尽可能与相邻结构形式相似，方便构件间过渡连接;另一方面从构件尺寸考虑，其强度满足规范即可，不宜增加过多，且构件规格尽可能少。为此，确定加强结构方案如下：系泊设备下方增加两个厚度为t=10 mm、折边为80 mm的肘板;带缆桩下方增加四根规格为HP260*12的球扁钢。图2为增加加强结构后的结构示意图。
6 有效性分析
在增加加强结构后，得到主甲板下支撑结构处合成应力为221 MPa ，小于许用应力值，满足规范要求。
图3为增加加强结构后，主甲板下支撑结构合成应力图。
7 结论
（1）系泊设备在原加强结构形式下，系泊处主甲板下支撑结构所受合成应力的最大值为346 MPa，超出许用应力值，不满足规范要求;在增加加强结构后，主甲板下支撑结构所受合成应力的最大值为221 MPa小于许用应力235 MPa，满足规范要求，新增加强结构设计合理;
（2）系泊设备负荷主要通过主甲板下支撑结构进行传递，对下支撑结构进行合理的加密处理，设置连接肘板、加强筋能够有效地将系泊设备负荷传递到甲板、横梁、纵骨等结构上;
（3）通过PARTAN有限元分析结果可以看出，本增加加强结构设计方案能够有效地减少系泊处主甲板下支撑结构的应力集中，保证结构设计强度，可供在类似系泊设备结构加强中参考。
参考文献
[1] 闫晋辉，罗桂山.系泊拖带设备船体加强结构的强度分析[J].浙江海洋学院学报（自然科学版），2017，36（1）：34-41.
[2] 熊志鑫.船舶结构有限元建模与分析[M]. 上海：上海交通大学出版社，2014.
[3] 中国船舶工业集团公司，中国船舶重工集团公司，中国造船工程学会.船舶设计实用手册（舾装分册）[M].北京： 国防工业出版社，2013.
[4]中国船舶工业集团公司，中国船舶重工集团公司，中国造船工程学会.船舶设计实用手册（结构分册）.[M].北京： 国防工业出版社，2013.
[5] 中国船级社.钢质海船入级规范（第二分册）[M].北京： 人民交通出版社，2018.
[6] 张超， 纪肖， 凌伟.起重机基座支撑结构强度分析[J].船舶工程，2014，12：54-59.
[7] 龙凯， 贾长治.Patran2010与Nastran2010有限元分析从入门到精通[M].北京： 机械工业出版社，2011.