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隨著我國拖曳對象數(shù)量和種類的增加，船舶界對拖船拖曳能力的要求也逐漸提高，拖船在提高拖曳能力的同時也要保證在作業(yè)時其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。本文以65t拖力拖船為研究對象，并根據(jù)勞氏關(guān)于拖船的規(guī)范對其初次校核時，拖船尾部拖鉤系統(tǒng)未滿足勞氏相關(guān)要求，從而本文開展了拖鉤系統(tǒng)及其相關(guān)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究。
根據(jù)勞氏拖船規(guī)范，本文利用大型有限元分析軟件MSC.Patran和MSC.Nastran對拖船尾部#17～#31建立有限元模型并計算應(yīng)力水平，如圖所示。模型中包含纜樁、纜樁底座、纜柱、甲板板架一部分舷側(cè)等結(jié)構(gòu)，模型中甲板、纜柱、纜樁和腹板高超過200mm的型材采用板單元，型材面板采用梁單元建立，本模型共有7936個節(jié)點，10021個單元。
由于模型只研究甲板上的拖鉤系統(tǒng)和與之連接的甲板結(jié)構(gòu)，舷側(cè)、船底等結(jié)構(gòu)影響很小，故選擇在舷側(cè)安全甲板平面進(jìn)行剛性固定，對于斷面也用剛性固定。
該拖船正常拖曳拖力為65t，纜繩破斷拉力為1300kN。根據(jù)勞氏拖船規(guī)范要求，拖鉤處即纜樁處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不小于纜繩破斷拉力的1.5倍。纜柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為不小于纜繩破斷力作用于纜柱上的合力。作業(yè)工況選擇橫向且纜繩過甲板邊線進(jìn)行強(qiáng)度校核。載荷如下：纜樁F1=2×1.5×65×1000×9.81=1912950N，船長方向；F2=0N，船寬方向;F3=0N，垂向方向。纜柱F1=2×65×1000×9.81=1275300N，船長方向；F2=2×65×1000×9.81×cos13.8=1238316.27N，船寬方向；F3=2×65×1000×9.81×sin13.8=305179.2N，垂向方向。
由于纜樁上受到3倍沿船長方向拖力，甲板板架相對較強(qiáng)，導(dǎo)致纜樁基座內(nèi)的加強(qiáng)材出現(xiàn)最大應(yīng)力點，應(yīng)力為323MPa;纜柱上是纜繩破斷力(2倍拖力)的合力作用，導(dǎo)致導(dǎo)纜孔下邊緣出現(xiàn)最大應(yīng)力點，應(yīng)力為213MPa；甲板板架沒有受到直接載荷作用，但計算工況相當(dāng)于在纜樁和纜柱之間的甲板板架兩端加了橫向彎矩，甲板板連續(xù)性好，應(yīng)力可以很好傳遞，但是甲板縱桁為T型材結(jié)構(gòu)，應(yīng)力會出現(xiàn)集中區(qū)域，且應(yīng)力比較大，已經(jīng)超過了纜柱上的應(yīng)力水平，應(yīng)力為261MPa。
由上節(jié)計算結(jié)果可以看到，該拖船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足規(guī)范相關(guān)要求，主要構(gòu)件應(yīng)力水平均超出許用值，因此在兼顧工藝性的前提下對下列結(jié)構(gòu)同時進(jìn)行優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求：1)將與纜柱和纜樁連接部分甲板縱桁分別沿船長方向擴(kuò)充2個肋位建立箱型甲板縱桁，厚度為18mm(原T型材腹板厚度為18mm)。2)纜柱內(nèi)沿船長和船寬方向增加隔板，下側(cè)橫樁板厚由18mm增加到25mm，內(nèi)加橫向隔板，板厚18mm。纜柱和甲板連接處的肘板頂部加封板，厚度為18mm。3)纜樁內(nèi)部加強(qiáng)筋由25mm改為32mm，在纜樁和纜樁基座加6塊肘板傳遞應(yīng)力，纜樁外板由25mm改為28mm。
模型應(yīng)力分布區(qū)域比較均勻，應(yīng)力過度比較平穩(wěn)。從數(shù)值上看，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)最大相當(dāng)應(yīng)力為208MPa，位于纜柱上的導(dǎo)纜孔邊緣處；最大剪切應(yīng)力為86.1MPa，與最大相當(dāng)應(yīng)力位置相同。
本文通過對某拖船局部結(jié)構(gòu)改變或增加結(jié)構(gòu)來滿足拖船拖鉤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，得到以下結(jié)論：1)在同樣板厚情況下，箱型甲板縱桁具有更好的應(yīng)力傳遞性，可以避免應(yīng)力集中。2)圓筒雖然可以盡量避免應(yīng)力集中，但是在受某個方向集中力作用下也會在某個位置產(chǎn)生應(yīng)力最大值，這時在圓柱內(nèi)部增加加強(qiáng)筋(板)可增強(qiáng)圓柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。3)每根纜柱底部4個肘板可以用一塊圓形封板連接，這樣可以在纜柱收到某個方向集中力時分擔(dān)部分肘板的應(yīng)力。4)在纜樁和纜樁基座連接處適當(dāng)加肘板既可以防止發(fā)生應(yīng)力集中又可以增強(qiáng)纜樁和纜樁底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。5)修改后的相當(dāng)應(yīng)力和剪切應(yīng)力比較接近許用值，避免了材料浪費；且應(yīng)力途中變化比較平緩，表明對原結(jié)構(gòu)做的優(yōu)化取得了良好效果。
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