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隨著我國拖曳對象數量和種類的增加，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時其結構強度滿足要求。本文以65t拖力拖船為研究對象，并根據勞氏關于拖船的規范對其初次校核時，拖船尾部拖鉤系統未滿足勞氏相關要求，從而本文開展了拖鉤系統及其相關結構的結構形式進行研究。
根據勞氏拖船規范，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等結構，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個節點，10021個單元。
由于模型只研究甲板上的拖鉤系統和與之連接的甲板結構，舷側、船底等結構影響很小，故選擇在舷側安全甲板平面進行剛性固定，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。根據勞氏拖船規范要求，拖鉤處即纜樁處結構強度不小于纜繩破斷拉力的1.5倍。纜柱的結構強度為不小于纜繩破斷力作用于纜柱上的合力。作業工況選擇橫向且纜繩過甲板邊線進行強度校核。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，導致纜樁基座內的加強材出現最大應力點，應力為323MPa;纜柱上是纜繩破斷力(2倍拖力)的合力作用，導致導纜孔下邊緣出現最大應力點，應力為213MPa；甲板板架沒有受到直接載荷作用，但計算工況相當于在纜樁和纜柱之間的甲板板架兩端加了橫向彎矩，甲板板連續性好，應力可以很好傳遞，但是甲板縱桁為T型材結構，應力會出現集中區域，且應力比較大，已經超過了纜柱上的應力水平，應力為261MPa。
由上節計算結果可以看到，該拖船結構強度不滿足規范相關要求，主要構件應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構同時進行優化，使結構滿足規范要求：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)纜柱內沿船長和船寬方向增加隔板，下側橫樁板厚由18mm增加到25mm，內加橫向隔板，板厚18mm。纜柱和甲板連接處的肘板頂部加封板，厚度為18mm。3)纜樁內部加強筋由25mm改為32mm，在纜樁和纜樁基座加6塊肘板傳遞應力，纜樁外板由25mm改為28mm。
模型應力分布區域比較均勻，應力過度比較平穩。從數值上看，優化后的結構最大相當應力為208MPa，位于纜柱上的導纜孔邊緣處；最大剪切應力為86.1MPa，與最大相當應力位置相同。
本文通過對某拖船局部結構改變或增加結構來滿足拖船拖鉤系統的結構強度要求，得到以下結論：1)在同樣板厚情況下，箱型甲板縱桁具有更好的應力傳遞性，可以避免應力集中。2)圓筒雖然可以盡量避免應力集中，但是在受某個方向集中力作用下也會在某個位置產生應力最大值，這時在圓柱內部增加加強筋(板)可增強圓柱的結構強度。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部分肘板的應力。4)在纜樁和纜樁基座連接處適當加肘板既可以防止發生應力集中又可以增強纜樁和纜樁底座的結構強度。5)修改后的相當應力和剪切應力比較接近許用值，避免了材料浪費；且應力途中變化比較平緩，表明對原結構做的優化取得了良好效果。
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