李家才

（揚州亞華船舶技術(shù)開發(fā)有限公司，江蘇揚州225012）

91.5 m駁船甲板結(jié)構(gòu)破損事故分析

李家才

（揚州亞華船舶技術(shù)開發(fā)有限公司，江蘇揚州225012）

91.5 m駁船由張家港駛往唐山港，航行至連云港正東海域時，因大風(fēng)導(dǎo)致駁船搖擺，3臺轉(zhuǎn)盤臂架大組件墜入海中。按照中國船級社《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》的相關(guān)要求，利用MSC.Patran/ MSC.Nastran對91.5 m駁船甲板結(jié)構(gòu)強度采用有限元方法進(jìn)行直接計算。結(jié)果表明：所取構(gòu)件在承受甲板上轉(zhuǎn)盤和門機載荷后滿足規(guī)范要求。

駁船；有限元法；甲板結(jié)構(gòu)

0 引言

2014年8月18日晨1:35分，“華富219”拖帶裝載碼頭門機散件的91.5 m駁船，由張家港駛往河北唐山港，當(dāng)航行至連云港正東海域時，因大風(fēng)導(dǎo)致駁船搖擺，3臺轉(zhuǎn)盤臂架大組件墜入海中。為了客觀真實地對事故發(fā)生原因進(jìn)行技術(shù)性分析，需要從技術(shù)角度對船舶貨物裝載是否滿足貨物裝載的技術(shù)性、安全性進(jìn)行分析認(rèn)定，其中包括對船舶載貨前的船舶貨物綁扎方案、穩(wěn)性計算書等進(jìn)行考量，對出海前轉(zhuǎn)盤和門機在綁扎部位處的強度進(jìn)行評估，以校核是否符合強度的規(guī)范要求。按照中國船級社《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》第二篇第8章散貨船附錄 1的相關(guān)要求，利用 MSC.Patran/MSC.Nastran對91.5 m駁船甲板結(jié)構(gòu)強度采用有限元方法進(jìn)行直接計算，以驗證實際所取構(gòu)件在承受甲板上轉(zhuǎn)盤和門機載荷（重點在轉(zhuǎn)盤上，其重量453 t；重量重心Zg=10.50；橫向受風(fēng)面積279.0 m2）后是否滿足規(guī)范要求。

1 船舶概況

91.5 m駁船為無人駁船，適用于甲板載貨，可航行于無限航區(qū)。船體為全焊接鋼制結(jié)構(gòu)，帶有平式甲板和2只呆木。主船體被8個水密橫艙壁和3個水密縱艙壁分隔成33個艙。本船依據(jù)中國船級社《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》進(jìn)行復(fù)核。轉(zhuǎn)入國內(nèi)航行時，按照中華人民共和國海事局《國內(nèi)航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》對載重線、噸位等進(jìn)行計算，裝載計算依據(jù)國際海事組織A.749（18）決議《關(guān)于IMO文件包括的所有船舶的完整穩(wěn)性規(guī)則》的有關(guān)要求進(jìn)行。甲板上舾裝件有1只1 500 kg無桿首錨，帶φ28 mm鋼絲繩300 m；每艙提供630×430 mm平式水密人孔蓋，螺帽和墊片為不銹鋼；33張鋼質(zhì)直梯用于進(jìn)入甲板下空艙；2只拖攬耳板安裝于甲板上；8個直徑為325 mm的系泊帶纜樁；用于綁扎駁船胎的小型耳板等。

船舶主要尺度如下：總長91.50 m，型寬24.40 m，型深5.50 m，滿載吃水3.80 m，空載吃水0.54 m，肋距0.61 m。

2 結(jié)構(gòu)強度有限元分析

2.1 有限元模型

根據(jù)中國船級社《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》§1.9.6的相關(guān)規(guī)定，同時為了更加詳細(xì)看到整船的結(jié)構(gòu)強度，91.5 m駁船有限元模型范圍縱向從船首至船尾、橫向為船寬、垂向為型深。其模型的選取符合規(guī)范的要求。

船舶的主要構(gòu)件尺寸如下：船底板12 mm，甲板板12 mm，舷側(cè)板12 mm，縱艙壁8 mm，橫艙壁8 mm；船底肋板L450×9.5/100，船底縱骨L125×75×10，甲板強橫梁L450×9.5/100，甲板縱骨L125×75×7，舷側(cè)強肋骨L450×9.5/100，舷側(cè)縱骨L125×75×7，縱艙壁垂直桁L450×9.5/ 100，縱艙壁縱骨L125×75×7等。按照實際尺寸進(jìn)行有限元模型建立，如圖1所示。91.5 m駁船有限元建模中模型材料定義為：彈性模量E= 2.1×1011Pa，泊松比0.3，密度7.85 t/m3。

圖1 91.5 m駁船有限元模型

2.2 載荷施加

由于重大件貨物具有重量大、體積大、外觀尺寸矩等特點，所以對船舶及其相關(guān)貨運技術(shù)要求與其他運輸船舶有所不同。主要體現(xiàn)在以下3個方面：第一，裝卸重大件貨物時船舶的穩(wěn)性及橫傾角。第二，重大件貨物的綁扎。船舶在航行中受風(fēng)浪影響會引起橫搖及縱搖，如綁扎不牢固，會引起重大件貨物的移動，輕則造成事故，重則導(dǎo)致船毀人亡。第三，局部強度。重大件貨物重量大，尺寸不規(guī)矩，在裝載時應(yīng)注意局部強度，避免超過其許可負(fù)荷，造成船體受損，裝載時應(yīng)選用合適的積載位置及用適當(dāng)?shù)囊r墊來盡量減少局部負(fù)荷，以確保安全。針對以上分析，載荷施加主要通過有限元方法對綁扎情況進(jìn)行有限元分析。有限元模型的載荷應(yīng)包括舷外水壓力、貨物重量、結(jié)構(gòu)自重等。其中舷外水壓力按照實際裝載情況下的吃水來施加，在軟件中通過施加場的方式來操作（9800*（2.261-'Z））；貨物載荷主要包括甲板裝載3臺轉(zhuǎn)盤（每臺453 t）、4臺門機（每臺208 t）以及艙內(nèi)壓載水等；整船的空船重量通過結(jié)構(gòu)的密度和重力加速度來施加。圖2為門機和轉(zhuǎn)盤的分布圖。以下為具體操作過程：

按照穩(wěn)性計算可以得出，裝載門機和轉(zhuǎn)盤后吃水為2.261 m，施加到船體外部。貨物加載按照穩(wěn)性計算書，貨物施加主要重量內(nèi)容如表1所示。

圖2 門機和轉(zhuǎn)盤分布圖

表1 重量分布表

91.5 m駁船承運的轉(zhuǎn)盤呈“品”字形裝載在該駁船甲板的后方，駕駛員面向駁船的尾部，裝載區(qū)域長度36.60 m，對應(yīng)船體結(jié)構(gòu)為#0～#20肋位之間，每臺轉(zhuǎn)盤總重量為453 t。根據(jù)實際綁扎要求如下：

第一，1#轉(zhuǎn)盤總成裝載區(qū)甲板#13～#19肋位間，轉(zhuǎn)盤高度為8.9 m，轉(zhuǎn)盤右側(cè)距甲板重心2.45 m，距甲板右舷邊緣約0.8 m。

第二，2#轉(zhuǎn)盤總成裝載區(qū)甲板#13～#19肋位間，轉(zhuǎn)盤高度為8.9 m，轉(zhuǎn)盤右側(cè)距甲板重心1.05 m，距甲板右舷邊緣約2.25 m。

第三，3#轉(zhuǎn)盤總成裝載區(qū)甲板#2～#9肋位間，轉(zhuǎn)盤高度為8.9 m，轉(zhuǎn)盤總成居于甲板中心裝載。

通過以上計算可以發(fā)現(xiàn)，在對載荷計算過程中已經(jīng)考慮船舶傾斜、風(fēng)等因素的影響。由于91.5 m駁船在航行至連云港正東海域，因大風(fēng)導(dǎo)致駁船搖擺，將3臺轉(zhuǎn)盤臂架大組件墜入海中，這樣載荷施加與實際情況相符合。將以上綁扎桿件的載荷施加到10個具體位置上，每個轉(zhuǎn)盤底部與甲板接觸面積為15 m2來計。具體施加如圖3所示。

圖3 載荷加載

由91.5 m駁船配載圖可以看出，甲板前部裝載的四訂座門架及門機配件是不對稱放置的，在遇到風(fēng)浪時會加大向一舷的傾斜，在計算載荷時已經(jīng)考慮到橫向滑移力。在事故當(dāng)時風(fēng)向及風(fēng)浪達(dá)到6級的情況下，船舶的橫揺度計算時達(dá)到13度。本計算按照實際綁扎的要求進(jìn)行計算，暫且認(rèn)為綁扎位置不變的情況下進(jìn)行考慮，如果計算值超出許用值的話，將提出一系列加強措施來彌補綁扎時候出現(xiàn)的缺陷。焊接位置的強度計算報告中體現(xiàn)不出，只能認(rèn)為本報告計算強度的問題跟焊接技術(shù)方面沒有直接聯(lián)系。本船由于貨物的裝載過程中會出現(xiàn)較大縱傾或橫傾現(xiàn)象，首中部艙內(nèi)通過設(shè)置壓載水進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.3 計算結(jié)果

通過有限元計算，結(jié)合甲板部位變形的仿真計算結(jié)果，可以得出：

第一，1#轉(zhuǎn)盤總成裝載區(qū)：轉(zhuǎn)盤總成配重后側(cè)的2根撐桿連接在船20#～21#肋位間的甲板上的耳板，變形略上翻；轉(zhuǎn)盤總成右側(cè)3根撐桿也呈現(xiàn)一定形狀，變形向內(nèi)側(cè)明顯上翻；轉(zhuǎn)盤總成左側(cè)有2根撐桿耳板裂口，變形呈現(xiàn)向下彎曲，另外一個向上；轉(zhuǎn)盤總成前部2根撐桿裂口，位于10#～11#肋位之間，變形呈現(xiàn)向下大的彎曲。

第二，2#轉(zhuǎn)盤總成裝載區(qū)：轉(zhuǎn)盤總成配重后側(cè)的2根撐桿連接在船20#～21#肋位間的甲板上的耳板，變形略上翻；轉(zhuǎn)盤總成右側(cè)3根撐桿也呈現(xiàn)一定形狀，變形向下彎曲；轉(zhuǎn)盤總成左側(cè)有2根撐桿耳板裂口，變形呈現(xiàn)向上彎曲，彎曲量比較明顯；轉(zhuǎn)盤總成前部2根撐桿裂口，位于10#～11#肋位之間，變形呈現(xiàn)板向上彎曲。

第三，3#轉(zhuǎn)盤總成裝載區(qū)：與91.5 m駁船甲板焊接的撐桿連接耳板部位全部撕裂；轉(zhuǎn)盤總成配重前側(cè)的2根撐桿裂口呈現(xiàn)一定形狀，變形呈現(xiàn)略上翻；轉(zhuǎn)盤總成配重左側(cè)的3根撐桿裂口呈現(xiàn)一定形狀，變形呈現(xiàn)略上翻；轉(zhuǎn)盤總成配重后側(cè)的2根撐桿裂口呈現(xiàn)一定形狀，變形呈現(xiàn)略下翻；轉(zhuǎn)盤總成配重前側(cè)的3根撐桿裂口呈現(xiàn)一定形狀，變形呈現(xiàn)略下翻。

以上計算與船舶實際破損情況比較接近，如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場甲板破損圖

通過以上計算，匯總該工況下的應(yīng)力結(jié)果如表2所示。

表2 應(yīng)力匯總

圖5 甲板相當(dāng)應(yīng)力云圖

通過表2和圖5可以得出：甲板、船底板、舷側(cè)外板以及橫縱艙壁結(jié)構(gòu)的計算應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，而甲板內(nèi)部的強橫梁計算應(yīng)力大于許用應(yīng)力，甲板結(jié)構(gòu)強度不滿足規(guī)范的要求。甲板板架區(qū)域由于轉(zhuǎn)盤位置處的載荷比較大，出現(xiàn)較大的變形，而門機區(qū)域載荷較小未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力超出許用值。這些跟實際事故照片相一致。雖然甲板應(yīng)力值小于220 MPa，一旦甲板強橫梁結(jié)構(gòu)失效，甲板強度也會隨著出現(xiàn)撕裂等現(xiàn)象。綜合以上分析，得出造成這一現(xiàn)象的原因主要是門機綁扎在甲板上的生根位置不當(dāng)以及甲板與轉(zhuǎn)盤接觸部位加強不當(dāng)造成，因此須對綁扎位置或者綁扎生根處的船體進(jìn)行局部加強。

3 結(jié)束語

對重大件貨物的綁扎，首先要正確選擇綁扎索具。常用的綁扎索具有纖維繩、鋼絲繩和鏈條，并且配合松緊螺絲、卸扣等一起使用。綁扎重大件貨物宜用鋼絲繩及鏈條。使用鏈條綁扎方便、速度快；但不易收緊；使用鋼絲繩則較易收緊但綁扎沒有鏈條方便，各有利弊，應(yīng)根據(jù)具體情況選用。重大件貨物的綁扎還應(yīng)注意以下一些問題：第一，綁扎松緊要適宜。要求綁扎緊固，不使其松動，又要防止過緊折斷。同時又要易于解開，以便萬一發(fā)生意外時能立即松綁。第二，提高綁扎效果，節(jié)省綁索為此綁扎角盡可能小，并應(yīng)使各道綁索受力均衡。第三，保證貨件不受損傷。為避免綁索直接接觸貨物表面，壓損或磨損貨件，應(yīng)在規(guī)定的部位進(jìn)行綁扎，必要時應(yīng)在綁扎部位先加鋪墊。對于怕水濕的貨物，除合理選擇貨位外，在綁扎前應(yīng)先鋪蓋油布，易腐蝕部位應(yīng)涂以防護油脂。第四，綁扎工藝要正確。綁索應(yīng)左右、前后對稱。每道綁索應(yīng)先繞貨件1周后再在兩側(cè)固定，不能一索綁多道。每個生根的地令上不能超過3根綁索，而且方向不能相同。

[1]胡麗芬.艦船抗沉輔助決策系統(tǒng)研究[D].大連:大連理工大學(xué),2015.

[2]黃武剛.船舶在波浪中航行時穩(wěn)性研究及危險性分析[D].大連:大連理工大學(xué),2010.

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［責(zé)任編輯：劉 月］

Accident Analysis on the Deck Structure Damage of 91.5m Barge

Li Jiacai
(Yangzhou Yahua Marine Technical Development Co.,Ltd,Yangzhou 225012,China)

The 91.5m barge sailed from Zhangjiagang to the port of Tangshan.While it sailed to the east area of Lianyungang,due to the strong wind,three large components of swing arm rack fell into the sea.In accordance with the relevant requirements of Chinese classification society'sthe Rules of Domestic Seagoing Ships Construction,the researcher calculates the 91.5m barge deck structure strength directly use the finite element method via MSC.Patran/MSC.Nastran.The result shows that the components are satisfied with the requirement of the deck load and the door motor load.

barge;finite element;deck structure

U698.6

A

2095-5928（2016）05-34-05

2016-06-11

李家才（1972-），男，江蘇南通人，工程師，學(xué)士，研究方向：船舶詳細(xì)設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計。

10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2016.05.011