160t拼裝式起重船結(jié)構(gòu)與操作規(guī)程分析

孫亞軍

(南通欣海船舶設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇南通226001)

160t拼裝式起重船結(jié)構(gòu)與操作規(guī)程分析

孫亞軍

(南通欣海船舶設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇南通226001)

利用有限元軟件對(duì)160 t拼裝式起重船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，以驗(yàn)證起重船船體和浮箱在船底板架、舷側(cè)板架、甲板板架、橫艙壁等主要構(gòu)件強(qiáng)度上是否滿足相關(guān)規(guī)范的要求。同時(shí)介紹拼裝式起重船具體的操作過(guò)程，為后續(xù)系統(tǒng)研究奠定基礎(chǔ)。

拼裝式起重船;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;浮箱;有限元

0 引言

浮箱式浮船塢浮體中的單體箱形結(jié)構(gòu)通常稱(chēng)為浮箱。傳統(tǒng)海上多用途浮箱，多采用骨架式全焊接鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的浮箱模塊，浮箱模塊可分為方形模塊、首尾模塊、坡道模塊、推進(jìn)模塊和供電模塊等。浮箱模塊之間通過(guò)固定在其兩側(cè)和兩端的剛性接頭和鉸接接頭拼接，接頭位置的內(nèi)側(cè)壁設(shè)有局部加強(qiáng)框架［1－2］。

1 浮箱與船型介紹

1.1 浮箱

160 t拼裝式起重船船體兩側(cè)各設(shè)置7個(gè)浮箱，其中0#～13#之間3個(gè)浮箱構(gòu)成尾浮箱，29#～65#之間設(shè)置首浮箱，它由4個(gè)大小不一的小浮箱組成。浮箱的具體尺寸見(jiàn)表1。

表1 浮箱尺寸Tab.1 Size of floating box

160 t拼裝式起重船船體與浮箱的連接機(jī)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。

圖1 160 t拼裝式起重船船體與浮箱的艙室布置Fig.1 Layout of hull and floating box of 160 t assembled floating crane

該浮箱機(jī)構(gòu)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)受力角度。由于浮箱浮力產(chǎn)生的浮心位置偏整個(gè)起重船的連接裝置中心線外，起重船在起吊重物過(guò)程中，連接機(jī)構(gòu)受橫向和縱向彎矩易產(chǎn)生一定程度的彎曲變形。

2)制造工藝流程。采用普通鋼材料，內(nèi)部采用焊接結(jié)構(gòu)，其中包括橫艙壁、甲板和舷側(cè)，另外還有強(qiáng)橫梁、甲板縱桁、橫艙壁縱桁、艙壁扶強(qiáng)材等普通構(gòu)件。浮箱與船體之間采用鉚接形式。鉚接位置分別設(shè)置在3#、11#、35#和59#處。

3)浮箱拼接設(shè)置。160 t起重船的兩側(cè)各設(shè)置有首浮箱和尾浮箱。首浮箱長(zhǎng)19.8 m，寬5 m，高1.9 m，首浮箱由3道水密橫艙壁分割成4個(gè)浮箱，4個(gè)浮箱的寬度分別為3.3 m，6.6 m，3.3 m，尾浮箱長(zhǎng)7.7 m，寬4 m，高1.9 m，尾浮箱由2道水密橫艙壁分割成3個(gè)浮箱，3個(gè)浮箱的寬度分割為1.65 m，4.4 m，1.65 m。由于浮箱和船體在固定位置采用鉚釘進(jìn)行連接，可使160 t起重船的船體和浮箱拼裝后的浮態(tài)基本一致［3］。

4)在調(diào)遣航行過(guò)程中，160 t起重船體的浮性、穩(wěn)性以及適航性等技術(shù)性能滿足的前提下，可對(duì)兩側(cè)的浮箱進(jìn)行整體拆除。拼裝后起重船的浮箱上方可堆放物品，提高整個(gè)甲板利用率。

1.2 船型

160 t起重船為單底、單甲板、橫骨架式全焊接鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，采用雙機(jī)、雙槳、雙舵、中駕駛液壓操舵形式。本船為箱形平底型船型，其尺寸見(jiàn)表2。

表2 浮箱尺寸Tab.2 Size of floating box

2 船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

2.1 有限元模型

按照《船舶與海上設(shè)施起重規(guī)范》 (2007)進(jìn)行建模與邊界處理，利用有限元軟件MSC對(duì)160 t拼裝式起重船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元校核計(jì)算［4－5］。取直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于船體中心線#0處，X軸沿船長(zhǎng)指向船首為正，Y軸沿船寬指向左舷為正，Z軸沿型深向上為正。有限元模型單位長(zhǎng)度為m，力為N。船體有限元模型共有27 976個(gè)節(jié)點(diǎn)，35 798個(gè)單元;浮箱有限元模型共有9 938個(gè)節(jié)點(diǎn)，10 200個(gè)板單元。見(jiàn)圖2～圖5。

圖2 整體有限元模型Fig.2 FEM of overall

圖3 船體有限元模型Fig.3 FEM of hull

圖4 浮箱有限元模型Fig.4 FEM of floating box

圖5 橫縱艙壁有限元模型Fig.5 FEM of fransverse and longitudinal bulkhead

2.2 邊界處理與載荷加載

邊界條件的假定應(yīng)以不影響模型中心所考慮的計(jì)算結(jié)果為原則。一般可考慮設(shè)置自由支持和固定支持，參考表3邊界約束。

表3 拼裝式起重船整體的邊界約束Tab.3 Boundary constraint

載荷加載可根據(jù)提供的《160t起重機(jī)構(gòu)扒桿強(qiáng)度計(jì)算工況及外力》，本船的計(jì)算荷載工況如下：

工況1：起重機(jī)工作于無(wú)風(fēng)狀態(tài)，起重機(jī)臂桿放到傾角為12°位置，空載過(guò)橋;

工況2：起重機(jī)工作于有風(fēng)狀態(tài) (扒桿角度為 70°);

工況3：起重機(jī)在放置狀態(tài) (扒桿角度為45°)，垂直于甲板的加速度為±1.0 g;橫向平行于甲板的加速度為±0.5 g;靜橫傾30°;風(fēng)速55 m/s，作用于橫向;

工況4：起重機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)載荷 (扒桿角度為 70°)。

加載位置：上層建筑頂部、扒桿底部與甲板接觸位置 (見(jiàn)圖6)。

圖6 船體整體載荷加載Fig.6 Loading of the crane

2.3 船體強(qiáng)度有限元計(jì)算結(jié)果

船體強(qiáng)度有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7～圖14。

圖7 船體應(yīng)力云圖Fig.7 The hull stress picture of case 1

圖8 浮箱應(yīng)力云圖Fig.8 The pontoon stress picture of case 1

圖9 船體應(yīng)力云圖Fig.9 The hull stress picture of case 2

圖10 浮箱應(yīng)力云圖Fig.10 The pontoon stress picture of case 2

圖11 船體應(yīng)力云圖Fig.11 The hull stress picture of case 1

圖12 浮箱應(yīng)力云圖Fig.12 The pontoon stress picture of case 3

圖13 船體應(yīng)力云圖Fig.13 The hull stress pictare of case 4

圖14 浮箱應(yīng)力云圖Fig.14 The pontoon stress picture of case 4

表4 各工況下的應(yīng)力匯總 (MPa)Tab.4 The summary of the stress on the condition(MPa)

2.4 應(yīng)力匯總

通過(guò)MSC.Nastran軟件計(jì)算，得出4個(gè)工況下船體和浮箱每個(gè)構(gòu)件下的應(yīng)力值 (見(jiàn)表4)。

通過(guò)以上計(jì)算可得出以下結(jié)論：

1)船體在不同工況下的有限元強(qiáng)度計(jì)算都滿足規(guī)范要求。

2)由表4可見(jiàn)，在起重機(jī)垂直于甲板加速度±1.0 g，前后方向平行于甲板加速度±0.5 g，橫傾角30°和風(fēng)速55 m/s，作用于前后方向的工況3時(shí)，甲板所受的應(yīng)力最大，最大值為140 MPa;起重機(jī)臂桿放到傾角為12°位置，空載過(guò)橋時(shí)，上層建筑上方所受的應(yīng)力最大，最大值為131 MPa。應(yīng)力的大小主要跟所受載荷位置有關(guān)。

3)在4種工況下，船底部位的應(yīng)力值都在60 MPa左右，舷側(cè)部位的應(yīng)力值都在40 MPa左右，主要跟船體本身吃水有關(guān)。不同工況下的船體吃水沒(méi)有因?yàn)檩d荷的變化發(fā)生大幅的影響，只是略微對(duì)船體局部部位產(chǎn)生作用。

4)在4種工況下，縱艙壁的應(yīng)力值變化較大，橫艙壁的應(yīng)力值變化不大，主要由于船體在受到外載荷作用，縱向強(qiáng)度的影響比橫向強(qiáng)度要大，從而導(dǎo)致縱艙壁的應(yīng)力影響明顯，而橫艙壁的作用略微。

5)浮箱的設(shè)置有效地改變船體本身的浮性，提高起重船的穩(wěn)性。同時(shí)也提高船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

3 拼裝式起重船操作規(guī)程

在設(shè)計(jì)與研究過(guò)程中，設(shè)置浮箱后的拼裝式起重船在運(yùn)行工作時(shí)，由于操作不規(guī)范也會(huì)影響到船體強(qiáng)度，現(xiàn)對(duì)拼裝式起重船操作規(guī)程作如下歸納：

1)拼裝式起重機(jī)司機(jī)與信號(hào)員應(yīng)有統(tǒng)一的信號(hào)。操作人員應(yīng)從專(zhuān)用梯上、下操作室，合閘前應(yīng)先把控制器轉(zhuǎn)到零位。操作室內(nèi)應(yīng)墊木板或膠皮絕緣板。

2)拼裝式起重機(jī)工作前，應(yīng)做好下列準(zhǔn)備工作：

①檢查鋼結(jié)構(gòu)部件連接是否牢固;

②檢查卷場(chǎng)機(jī)各轉(zhuǎn)動(dòng)部分潤(rùn)滑是否良好，剎車(chē)裝置是否靈敏可靠;

③檢查電器設(shè)備接線是否正確，絕緣是否良好;

④檢查并試驗(yàn)各限位開(kāi)關(guān)是否靈敏，照明設(shè)備是否齊全良好;

⑤檢查腳手板、欄桿、扶梯是否合乎安全要求，軌鉗 (或錨固螺絲)是否緊固;

⑥三角架2個(gè)后支腿銷(xiāo)子及卡板是否移動(dòng);

⑦機(jī)房及操作室內(nèi)消防器材是否齊全有效。

3)司機(jī)操作室必須設(shè)在視野良好的位置。

4)起重機(jī)吊重、變幅、回轉(zhuǎn)所用的卷?yè)P(yáng)機(jī)，必須滿足安全技術(shù)要求，走行用電機(jī)必須符合的有關(guān)安全技術(shù)規(guī)定，起重機(jī)所用的鋼絲繩必須滿足有關(guān)安全技術(shù)要求。

5)開(kāi)車(chē)前檢查軌道上、地面和運(yùn)行范圍內(nèi)有無(wú)人員或障礙物，并鳴鈴示意。大車(chē)走行須有專(zhuān)人拉電纜，小車(chē)來(lái)回懸掛電纜須絕緣良好，滑動(dòng)自如。起吊時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)，然后試吊，離地100～150 mm，發(fā)現(xiàn)重物捆縛不正確時(shí)，應(yīng)重新進(jìn)行捆縛。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同工況的有限元直接強(qiáng)度分析，所得結(jié)論如下：

1)船體內(nèi)部的各個(gè)結(jié)構(gòu)和浮箱構(gòu)件的強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

2)工況2(垂直于甲板的加速度為±1.0 g;橫向平行于甲板的加速度為±0.5 g;靜橫傾30°;風(fēng)速55 m/s)是比較危險(xiǎn)的起吊工況，在設(shè)計(jì)和實(shí)際裝載和起吊過(guò)程中應(yīng)加以注意。

3)本文對(duì)拼裝式起重船操作規(guī)程作出具體歸納，可為后續(xù)同類(lèi)起重船的強(qiáng)度與操作分析奠定基礎(chǔ)。

［1］王學(xué)亮，董艷秋．大型起重船在海浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究［D］．天津：天津大學(xué)，2003．

［2］芮光六，董艷秋．起重船吊物系統(tǒng)的擺動(dòng)分析及其控制研究［D］．天津：天津大學(xué)，2004．

［3］夏益美，張明霞，林焰．全回轉(zhuǎn)起重作業(yè)船穩(wěn)性研究［D］．大連：大連理工大學(xué)，2006．

［4］鄭飛鵬，李治彬．規(guī)則波浪中回轉(zhuǎn)式起重船的穩(wěn)性研究［D］．大連：大連海事大學(xué)，2007．

［5］盛振邦，楊尚榮，陳雪深．船舶靜力學(xué)［M］．上海：上海交通大學(xué)出版社，2000．

Research on structural strength and the specific operation of 160t assembled floating crane

SUN Ya-jun
(Nantong Xinhai Marine Design Institute Co．，Ltd．，Nantong 226001，China)

Using finite element software，apply direct strength calucation for 160t assembled floating crane to verify the hull and floating box on the strength of the major component in the bottom frame，the side frame，the deck frame，transverse bulkheads and other major structure of the hull and meet the specification requirements．And introduce the specific operation of floating crane．Meanwhile lay the foundation for research and analysis system．

assembled floating crane;structural strength;floating box;finite element

U674．35

A

1672－7649(2013)05－0090－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.05.021

2012－05－08;

2012－12－14

孫亞軍(1966－)，男，工程師，主要從事船舶設(shè)計(jì)。