油船貨油軟管吊基座加強結構設計

張星，王利山，徐綠洲,張偉

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

油船上的貨油軟管吊用于吊運主甲板上的輸油管及其他物品等。通常吊機安裝位置較高，這也要求有相應較高的基座。吊機在吊運物品時，基座底部受較大彎矩，因此在基座及船體局部結構設計過程中應關注這部分的結構強度[1]。本文運用有限元方法，對公司某型11.4萬t冰區阿芙拉成品油船的軟管吊基座及其支撐結構強度進行分析和設計，使其結構在滿足規范的強度要求的基礎上布置更合理，便于現場施工，同時保證主船體結構的完整性。

1 船型概況

11.4萬t阿芙拉成品油船采用雙殼、雙底結構，需滿足冰區ICE 1C，設計和建造難度較大。該型船共有6個貨油艙，其中3艙為風暴壓載艙，2臺貨油軟管吊布置在4艙主甲板上，該吊機主結構為圓柱形設計，臂架為箱形結構，左右舷對稱。軟管吊布置見圖1。

圖1 11.4萬t阿芙拉成品油船軟管吊布置主視圖

2 有限元建模分析

2.1 建立有限元模型

軟管吊在工作時主船體局部受力，因此運用PATRAN建模時需要將受影響的主船體包含在內，吊車基坐位于沿船長FR70+1 530，沿船寬甲板縱骨DL14的位置。綜合評估后，模型的范圍為船長方向取FR69-1 000～FR72，總長14.08 m；寬度取左舷CL6～CL22，總寬13.12 m；高度方向取主甲板以下3 m至基座頂端，總高5.437 m。單元網格大小為200 mm×200 mm,坐標系與船體坐標系一致，基于結構總尺寸進行評估，模型主船體邊界所有節點剛性約束，見圖2。

圖2 基座加強有限元約束條件和板厚屬性

設計軟管吊加強結構主要由3部分組成。

1)筒形加強結構，350 mm×20 mm_AH32,用315高強度鋼與軟管吊基座在甲板處對接。

2)對與筒形結構加強相關的3道縱骨做局部加強,同樣使用315高強度鋼，T排尺寸增加到1 200×20+200×20_AH32，縱骨連接處用肘板平穩過度。

3)橫向用一道16 mm厚、550 mm的315高強度鋼的加強筋連接縱向結構。

2.2 規范衡準

研究船型需要同時滿足HCSR共同規范[2]和OCIMF油船規范的要求。對于軟管吊，設計載荷應取1.3倍安全工作載荷加起重設備自重，支撐結構作用力的許用值：

正應力為0.67ReH，剪切應力為0.39ReH。ReH為材料屈服應力，MPa。

2.3 基座受力

軟管吊規格為15T 3.9-19 m，根據設備廠商提供的數據，吊車本身自重為24 t，受力見表1。

表1 軟管吊對甲板的作用力

2.4 加載工況

根據軟管吊的工作軌跡，分析5種作業工況，見圖3。

圖3 軟管吊加載工況的吊桿位置

以吊桿中心線的位置為準，分別平行、垂直、45°夾角于船中縱剖面，涵蓋主船體極端受力的典型工況[3]。在有限元模型中建立不同的局部坐標系，按照實際情況加載，分析這5種工況下基座、主船體和加強結構的受力和變形情況。

基座受力在有限元軟件中模擬為作用在RBE2型MPC上，垂向力、徑向力、彎矩以及轉矩均加載在軟管吊筒型基座的頂端同心圓圓心，受力點通過MPC連接筒型基座頂部每個單元節點，借由這種形式將力傳遞到基座和主船體結構及加強區域[4]。

結合HCSR共同規范規定的1.3倍安全系數和吊車本身自重，軟管吊基座MPC的受力加載見表2。

表2 各工況下MPC加載的力

2.5 有限元計算初始結果

在初始方案中，軟管吊基座加強結構包括主甲板面主要采用高強度鋼AH32，這種鋼級的屈服應力為315 MPa，正應力和剪切應力的許用值分別為211 MPa和122.85 MPa。比較5種工況下的正應力(x方向和y方向)和剪切應力最大值和許用值，見表3。

表3 各工況下正應力和剪切應力最大值 MPa

工況3下主船體和加強結構受到的正應力和剪切應力最為嚴重，工況3加強結構的剪切應力分布圖4。

圖4 LC3工況下剪切應力分布(甲板以下)

如圖4所示，最大應力點出現在短縱桁與甲板、圓筒基座接觸的位置。因此，加強方案需要根據規范要求和生產實際進行結構優化，對應力最大的板格區域進行局部加強，并保證主要構件變形在可控范圍內[5]。

3 加強方案對比

隨著軟管吊吊運角度和軌跡的變化，這5種典型工況在相同大小力的作用下對船體結構的影響是不同的。根據初始結果，在垂直于總縱剖面的工況下剪切應力值達到了最大值。為了改善接觸處的高應力情況，一般考慮采用4種方法：①增加結構的局部板厚；②將高強度鋼的鋼級由AH32升級為有著更高屈服應力的AH36；③改變加強形式和結構布局；④變動軟管吊安裝位置。

以下分析2種加強方案，在貼合現場施工的基礎上力求找到最佳設計。

3.1 方案1

以高應力區局部加板厚和更改結構加強的形式展開。如圖5所示，位于兩側的兩道短縱桁局部厚度加厚，板厚由“20_AH32”變為 “33_AH32”和“24_AH32”,為便于現場施工，原整圓形加強筋在和甲板縱骨DL13和DL15交接的地方中斷，橫向連接2根規格為“FB350×22_AH32”的加強筋，與圓形加強筋規格相同，這樣可有效避免應力集中和焊接困難2種弊端。

圖5 軟管吊結構加強設計方案1

由有限元計算得到，模型應力分布，見表4和圖6。

表4 方案1各工況下應力最大值 MPa

圖6 LC3工況下剪切應力分布(主甲板以下加強區域)

數據顯示加強結構的正應力和剪切應力值均達到規范要求，在許用值范圍內。對比前后2種加強方案，由表5可知，在最嚴重工況下，相關加強結構的受力明顯減小，正應力最大下降19%，剪應力最大下降40%。

表5 方案1與初始方案工況3(LC3)的應力對比

3.2 方案2

本冰區阿芙拉成品油船設置的2臺軟管吊位于4艙主甲板左右兩舷，縱向設置在相鄰2個強橫梁之間，橫向沒有像甲板強橫梁這種主要構件的有效支撐，這與常規僅配置1臺軟管吊且放置于中縱艙壁和甲板強橫梁交界處的設計有明顯區別，要求吊車基座的加強需要擁有更加強有力的抗結構失效能力來滿足HCSR共同規范。

方案2是在方案1的加強結構形式基礎上,將2臺軟管吊縱向位置設計成布置在4艙主甲板的強橫梁處，基座的縱向加強橫跨兩檔，由主甲板橫梁作為主要支撐構件,見圖7。基座受力情況見表6。

圖7 軟管吊結構加強設計方案2

表6 方案2各工況下基座應力最大值 MPa

對比方案2和初始方案，表7中數據顯示方案2中各工況下的應力值遠小于規范許用值，結構加強更加有效，同時也證明軟管吊在主船體的定位對基座加強結構有很大的影響。

表7 方案2與初始方案在工況3(LC3)的應力對比

4 結論

船舶結構設計方案應滿足規范要求，同時使結構最優，保證工藝簡單、施工便捷[6]。文中各項數據顯示，軟管吊的基座加強結構受力與軟管吊安裝位置、吊裝角度、吊裝能力密切相關。在選取的5種典型工況中，吊臂垂直于總縱剖面時，甲板下方的加強結構受到的剪切應力最大。所提出的2種設計方案，方案1是在不改變軟管吊和主船體相對位置的前提下，采用局部加強，改變結構形式的方法直接指導現場修正；方案2是假設將軟管吊基座位置設計在主船體橫梁處，在相同工況下基座加強結構受到的應力大幅降低。由此可見，在設計初期，如果能將軟管吊等設備的基座結構局部受力的因素考慮在內，合理配置軟管吊規格、安裝位置等各種參數，將更有利于主船體結構的整體性，縮短船舶的設計周期。