随着我国拖曳对象数量和种类的增加，船舶界对拖船拖曳能力的要求也逐渐提高，拖船在提高拖曳能力的同时也要保证在作业时其结构强度满足要求。本文以65t拖力拖船为研究对象，并根据劳氏关于拖船的规范对其初次校核时，拖船尾部拖钩系统未满足劳氏相关要求，从而本文开展了拖钩系统及其相关结构的结构形式进行研究。
      根据劳氏拖船规范，本文利用大型有限元分析软件MSC.Patran和MSC.Nastran对拖船尾部#17～#31建立有限元模型并计算应力水平，如图所示。模型中包含缆桩、缆桩底座、缆柱、甲板板架一部分舷侧等结构，模型中甲板、缆柱、缆桩和腹板高超过200mm的型材采用板单元，型材面板采用梁单元建立，本模型共有7936个节点，10021个单元。
      由于模型只研究甲板上的拖钩系统和与之连接的甲板结构，舷侧、船底等结构影响很小，故选择在舷侧安全甲板平面进行刚性固定，对于断面也用刚性固定。
      该拖船正常拖曳拖力为65t，缆绳破断拉力为1300kN。根据劳氏拖船规范要求，拖钩处即缆桩处结构强度不小于缆绳破断拉力的1.5倍。缆柱的结构强度为不小于缆绳破断力作用于缆柱上的合力。作业工况选择横向且缆绳过甲板边线进行强度校核。载荷如下：缆桩F1=2×1.5×65×1000×9.81=1912950N，船长方向；F2=0N，船宽方向;F3=0N，垂向方向。缆柱F1=2×65×1000×9.81=1275300N，船长方向；F2=2×65×1000×9.81×cos13.8=1238316.27N，船宽方向；F3=2×65×1000×9.81×sin13.8=305179.2N，垂向方向。
      由于缆桩上受到3倍沿船长方向拖力，甲板板架相对较强，导致缆桩基座内的加强材出现最大应力点，应力为323MPa;缆柱上是缆绳破断力(2倍拖力)的合力作用，导致导缆孔下边缘出现最大应力点，应力为213MPa；甲板板架没有受到直接载荷作用，但计算工况相当于在缆桩和缆柱之间的甲板板架两端加了横向弯矩，甲板板连续性好，应力可以很好传递，但是甲板纵桁为T型材结构，应力会出现集中区域，且应力比较大，已经超过了缆柱上的应力水平，应力为261MPa。
      由上节计算结果可以看到，该拖船结构强度不满足规范相关要求，主要构件应力水平均超出许用值，因此在兼顾工艺性的前提下对下列结构同时进行优化，使结构满足规范要求：1)将与缆柱和缆桩连接部分甲板纵桁分别沿船长方向扩充2个肋位建立箱型甲板纵桁，厚度为18mm(原T型材腹板厚度为18mm)。2)缆柱内沿船长和船宽方向增加隔板，下侧横桩板厚由18mm增加到25mm，内加横向隔板，板厚18mm。缆柱和甲板连接处的肘板顶部加封板，厚度为18mm。3)缆桩内部加强筋由25mm改为32mm，在缆桩和缆桩基座加6块肘板传递应力，缆桩外板由25mm改为28mm。
      模型应力分布区域比较均匀，应力过度比较平稳。从数值上看，优化后的结构最大相当应力为208MPa，位于缆柱上的导缆孔边缘处；最大剪切应力为86.1MPa，与最大相当应力位置相同。
      本文通过对某拖船局部结构改变或增加结构来满足拖船拖钩系统的结构强度要求，得到以下结论：1)在同样板厚情况下，箱型甲板纵桁具有更好的应力传递性，可以避免应力集中。2)圆筒虽然可以尽量避免应力集中，但是在受某个方向集中力作用下也会在某个位置产生应力最大值，这时在圆柱内部增加加强筋(板)可增强圆柱的结构强度。3)每根缆柱底部4个肘板可以用一块圆形封板连接，这样可以在缆柱收到某个方向集中力时分担部分肘板的应力。4)在缆桩和缆桩基座连接处适当加肘板既可以防止发生应力集中又可以增强缆桩和缆桩底座的结构强度。5)修改后的相当应力和剪切应力比较接近许用值，避免了材料浪费；且应力途中变化比较平缓，表明对原结构做的优化取得了良好效果。

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