0 引言
2014年8月18日,某92m甲板船装载码头门机散件,由拖轮拖带着从张家港驶往河北唐山港。航行至连云港正

东海域时,因大风导致驳船摇摆,3台转盘臂架大组件坠入海中。为了分析事故发生的原因,需要对船舶货物

装载是否满足货物装载的技术性、安全性要求进行认定。本文采用有限元方法对该船结构强度进行计算,以

验证实际构件在承受甲板上转盘和门机载荷后是否满足规范要求。[1,2]

1 船舶情况介绍
该92m甲板船为无人驳船,适用于甲板载货,可航行于无限航区。船体为全焊接钢制结构,带有平式甲板和两

只呆木。主船体由8个水密横舱壁和3个水密纵舱壁分隔成33个舱。甲板上舾装件有1只1 500kg无杆首锚,带

φ28mm钢丝绳300m;每舱提供630×430mm平式水密人孔盖,螺帽和垫片为不锈钢;33张钢质直梯用于进入甲板

下空舱;2只拖揽耳板安装于甲板上;8个直径为325mm的系泊带缆桩;用于绑扎驳船胎的小型耳板等。主要尺

度包括如下:总长为91.50 m,型宽为24.40 m,型深为5.50 m,满载吃水为3.80 m,空载吃水为0.54 m,肋距为

0.61 m。起重机主要数据:门架重量为208t,重量重心为9.00m,横向受风面积为172.5m2;转盘臂架重量为

453t,重量重心为10.50m,横向受风面积为279.0m2。

2 结构强度分析
2.1 有限元模型
该船有限元模型范围纵向从船首至船尾,横向为船宽,垂向为型深。该船的主要构件尺寸为:船底板12mm,甲

板板12mm,舷侧板12mm,纵舱壁8mm,横舱壁8mm;船底肋板L450×9.5/100,船底纵骨L125×75×10,甲板强横梁

L450×9.5/100,甲板纵骨L125×75×7,舷侧强肋骨L450×9.5/100,舷侧纵骨L125×75×7,纵舱壁垂直桁

L450×9.5/100,纵舱壁纵骨L125×75×7等。按照实际尺寸进行有限元建模。模型材料定义为:弹性模量

E=2.1×1011Pa,泊松比0.3,密度7.85t/m3。该船有限元模型如图1所示。

2.2 载荷施加
载荷施加主要通过有限元方法对绑扎部分进行有限元分析。有限元模型的载荷应包括舷外水压力、货物重

量、结构自重等。其中舷外水压力按照实际装载情况下的吃水来施加,在软件中通过施加场的方式来操作;

货物载荷主要包括甲板装载3台转盘(每台453t)、4台门机(每台208t)以及舱内压载水等;整船的空船重量通

过结构的密度和重力加速度来施加。

 图1 某92m甲板船有限元模型
图1 某92m甲板船有限元模型   下载原图

按照稳性计算可得,装载门机和转盘后吃水为2.261m,施加到船体外部。货物加载按照稳性计算书,货物施加

主要包括的重量内容如表1所示。

表1 重量分布表     下载原表

 表1 重量分布表
该92m甲板船承运的转盘呈“品”字形装载,驾驶员面向甲板船的尾部,装载区域长度36.60m,对应船体结构

为#0-#20肋位之间,每台转盘总重量为453吨。1#转盘总成装载区甲板#13-#19肋位间,转盘高度为8.9m,转盘

右侧距甲板重心2.45m,距甲板右舷边缘约0.8m。2#转盘总成装载区甲板#13-#19肋位间,转盘高度为8.9m,转

盘右侧距甲板重心1.05m,距甲板右舷边缘约2.25m。3#转盘总成装载区甲板#2-#9肋位间,转盘高度为8.9m,

转盘总成位于甲板中心装载。

通过以上计算可以发现,在对载荷计算过程中已经考虑船舶倾斜以及风等因素的影响。由于该92m甲板船在

航行至连云港正东海域,因大风导致驳船摇摆,导致3台转盘臂架大组件坠入海中,这样载荷施加与实际情况

相符合。将以上绑扎杆件的载荷施加到10个具体位置上,每个转盘底部与甲板接触面积为15m2来计。具体载

荷加载情况如图2所示。

 图2 载荷加载情况
图2 载荷加载情况   下载原图

从该甲板船配载图中可知,甲板前部装载的四台门机及门机配件为不对称放置,在遇有风浪时会加大向一舷

的倾斜,在计算载荷时已经考虑横向滑移力。在事故当时风向及风浪达到6级的情况下,船舶的横揺度计算时

达到13°。本计算按照实际绑扎的要求进行计算,暂且认为绑扎位置不变的情况进行考虑。[3]

2.3 计算结果
通过有限元计算,结合甲板部位变形的仿真计算结果,可以得出以下结论:

(1)1#转盘总成装载区。转盘总成配重后侧的两根撑杆连接在船20#-21#肋位间的甲板上的耳板,变形略上翻

;转盘总成右侧三根撑杆也呈现一定形状,变形向内侧明显上翻;转盘总成左侧有两根撑杆耳板裂口,变形呈

现向下弯曲,另外一个向上;转盘总成前部两根撑杆裂口,位于10#-11#肋位之间,变形呈现向下大的弯曲。

(2)2#转盘总成装载区。转盘总成配重后侧的两根撑杆连接在船20#-21#肋位间的甲板上的耳板,变形略上翻

;转盘总成右侧三根撑杆也呈现一定形状,变形向下弯曲;转盘总成左侧有两根撑杆耳板裂口,变形呈现向上

弯曲状态,弯曲量比较明显;转盘总成前部两根撑杆裂口,位于10#-11#肋位之间,变形呈现板向上弯曲。

(3)3#转盘总成装载区。与92m甲板船甲板焊接的撑杆连接耳板部位全部撕裂;转盘总成配重前侧的两根撑杆

裂口呈现一定形状,变形呈现略上翻;转盘总成配重左侧的三根撑杆裂口呈现一定形状,变形呈现略上翻;转

盘总成配重后侧的两根撑杆裂口呈现一定形状,变形呈现略下翻;转盘总成配重前侧的三根撑杆裂口呈现一

定形状,变形呈现略下翻。

该工况下的应力结果汇总情况如表2所示。

表2 应力结果汇总     下载原表

 表2 应力结果汇总
注:[σe]表示许用相当应力,[τ]表示许用剪应力。

通过表2可以得出,甲板、船底板、舷侧外板以及横纵舱壁结构的计算应力均小于许用应力,而甲板内部的强

横梁计算应力大于许用应力,甲板结构强度不满足规范的要求。甲板板架区域由于转盘位置处的载荷比较大

,出现较大的变形,而门机区域载荷较小未发现应力超出许用值。这些跟实际事故照片相一致。虽然甲板应

力值小于220MPa,但是一旦甲板强横梁结构失效,甲板强度也会出现撕裂等现象。因此,造成这一事故的原因

主要是门机绑扎在甲板上的生根位置不当以及甲板与转盘接触部位加强不当造成,须对绑扎位置或者绑扎生

根处的船体进行加强。两种加强方案分别为:第一,针对原方案的缺陷之一,即未将门机绑扎撑杆与甲板的连

接处设置于甲板骨架上,而是设置于甲板板格中,现改变绑扎位置,使其位于甲板骨架(横梁与纵骨连接)处,

进行强度计算;第二,针对原方案的缺陷之二,即未将绑扎撑杆与甲板连接位置进行局部加强,现在绑扎位置

处,设置复板进行甲板的局部加强后进行强度计算。

3 绑扎位置位于甲板骨架(横梁与纵骨连接)处的强度计算
通过上述的分析计算,甲板板架区域由于转盘位置处的载荷比较大,出现较大的变形,而门机区域载荷较小,

计算应力未发现超出许用值。一旦甲板强横梁结构失效,转盘处的甲板强度会随着出现撕裂等现象。因此,

有必要对绑扎生根处进行加强,具体绑扎位置调整如下:

(1)1#转盘总成装载区甲板#13-#19肋位间,转盘高度为8.9m,转盘右侧距甲板重心2.45m,距甲板右舷边缘越

0.8m,这些基本位置不变,主要调整位于强横梁与甲板纵骨连接处十根撑杆的位置。

(2)2#转盘总成装载区甲板#13-#19肋位间,转盘高度为8.9m,转盘右侧距甲板重心1.05m,距甲板右舷边缘越

2.25m,这些基本位置不变,主要调整位于强横梁与甲板纵骨连接处十根撑杆的位置。

(3)3#转盘总成装载区甲板#2-#9肋位间,转盘高度为8.9m,转盘总成居于甲板中心装载。这些基本位置不变,

主要调整位于强横梁与甲板纵骨连接处十根撑杆的位置。

通过计算得出该工况下的甲板强横梁相当应力为169MPa,小于许用应力175 MPa,剪应力93.9 MPa小于许用应

力95 MPa。该甲板船整船结构计算应力均小于许用应力,满足规范的要求。如果采用加强方案的话,甲板将

不会出现撕裂等现象,航行过程中将趋于安全。

4 绑扎位置甲板处加复板后的强度计算
甲板板架区域由于转盘位置处的载荷比较大,出现较大的变形,而门机区域载荷较小,计算应力未发现超出许

用值,可以对绑扎处的板厚进行加强。根据实际绑扎要求,可以得出:

(1)1#转盘总成装载区甲板#13-#19肋位间,转盘高度为8.9 m,转盘右侧距甲板重心2.45 m,距甲板右舷边缘

约0.8m。通过甲板上施加复板后,绑扎处甲板的厚度由原来12 mm变为20 mm。

(2)2#转盘总成装载区甲板#13-#19肋位间,转盘高度为8.9 m,转盘右侧距甲板重心1.05 m,距甲板右舷边缘

约2.25m。通过甲板上施加复板后,绑扎处甲板的厚度由原来12 mm变为20 mm。

(3)3#转盘总成装载区甲板#2-#9肋位间,转盘高度为8.9 m,转盘总成居于甲板中心装载。通过甲板上施加复

板后,绑扎处甲板的厚度由原来12 mm变为20 mm。

因此,结合该事故发生的原因,可以得出以下三点结论:第一,该事故中未将门机绑扎撑杆与甲板的连接处设

置于甲板骨架上,而是设置于甲板板格中,由于甲板板格为甲板上强度最弱区域,以致在横向滑移力的作用下

,甲板板格撕裂失效;第二,未将绑扎撑杆与甲板连接位置进行局部加强,一般运送大型结构件等特定货物,需

要在原来船舶的基础上,根据所承运货物的特点,进行针对性地加强,而本船在绑扎时(绑扎方案中未作要求)

并未进行该项工作;第三,在承运之前,绑扎方案确定之后,需要请有关单位对该船运输该项货物的绑扎方案

进行强度评估,以确定该方案不会对船舶造成损伤,以保证船舶的营运安全。

5 结束语
海运重大件货物运输风险大、责任大,系固与检查的每一环节都关系到船舶和货物的安全。无论是绑扎工人

还是船员都必须视为己任,从细从严,把好每一关,选好绑扎材料,计算好绑扎强度,留好安全余量,保证安全

系数,确保船舶和货物的安全。