起重船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

劉健中

摘 要：起重船作為一種工程船舶，由于其起重作業(yè)要求，船體結(jié)構(gòu)局部區(qū)域受力集中且分布不均勻，因此對(duì)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求比較高。本文針對(duì)某58m沿海航區(qū)起重船，運(yùn)用MSC.Patran/Nastran有限元計(jì)算軟件，計(jì)算其起重作業(yè)工況下的局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，分析應(yīng)力分布規(guī)律，對(duì)該類型船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考意義。

關(guān)鍵詞：局部強(qiáng)度;起重船;有限元分析

中圖分類號(hào)：U674.35? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）09-0115-03

起重船作為一種常見的工程船舶，承載著吊裝、打撈沉船、裝卸貨物等水上工程任務(wù)。起重船按照航行方式可以分為自航式與非自航式。非自航式起重船常以駁船的形式出現(xiàn)。按船體數(shù)可以分為單體與雙體起重船兩種。雙體起重船是由兩個(gè)單船體通過連接橋連接，相較單體船具有穩(wěn)定性好、橫搖周期短、操縱靈活、起重量大等優(yōu)點(diǎn)。按照起重機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)可以分為固定式、半回轉(zhuǎn)式、全回轉(zhuǎn)式。固定式起重船的起重臂不能水平旋轉(zhuǎn)。全回轉(zhuǎn)式起重船的起重臂能夠通過起重機(jī)底座進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，作業(yè)方式更加靈活。起重臂由鋼結(jié)構(gòu)組成，通常可在垂直方向進(jìn)行起升、變幅。可見全回轉(zhuǎn)式起重船在作業(yè)工況上會(huì)更加復(fù)雜。其總體受力大，局部區(qū)域受力集中，對(duì)船體結(jié)構(gòu)、起重機(jī)回轉(zhuǎn)底座的強(qiáng)度儲(chǔ)備要求很高[1]。

近幾十年來隨著海洋工程技術(shù)的進(jìn)步，起重船有了很大發(fā)展，首先起重船的用途逐漸向海洋工程服務(wù)發(fā)展。例如海底油氣管道鋪設(shè)、海上大型橋梁建設(shè)、海洋平臺(tái)、海上風(fēng)機(jī)的吊裝、海難事故援救等都要依靠起重船。二是起重船的作業(yè)水域由內(nèi)河轉(zhuǎn)入近海。三是起重船逐漸趨于大型化。四是起重船的功能性多樣化。準(zhǔn)確的起重船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法為該類型船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論數(shù)據(jù)支撐，為其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供指導(dǎo)意義。

本文以某沿海航區(qū)58m全回轉(zhuǎn)起重船為例，按照中國船級(jí)社《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》《船舶及海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》的要求，使用MSC.Patran/ Nastran對(duì)起重船船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

1船體結(jié)構(gòu)有限元模型

1.1結(jié)構(gòu)模型

1.1.1目標(biāo)船主要參數(shù)

本文以某沿海航區(qū)58m全回轉(zhuǎn)起重船為例，進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。該船總長(zhǎng)58.00 m，垂線間長(zhǎng)56.00 m，型寬20.80 m，型深4.08 m，設(shè)計(jì)吃水2.00 m。主鉤起吊重量起吊高度：50m。全回轉(zhuǎn)：200t。副鉤起吊重量，起吊高度：60m。全回轉(zhuǎn)：50t。航區(qū)：沿海。

1.1.2有限元結(jié)構(gòu)模型

本文按照《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，采用子結(jié)構(gòu)建模技術(shù)對(duì)目標(biāo)船進(jìn)行建模。該船船體模型的結(jié)構(gòu)為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)。模型橫向范圍選取到船體內(nèi)舷側(cè)，艙段模型的縱向范圍從#63肋位到#102肋位。垂向范圍為整個(gè)型深。船體鋼材屈服強(qiáng)度σs=235MPa;材料的彈性模量E=2.06×105MPa;泊松比0.3;密度7.85t/m3。船體結(jié)構(gòu)模型如圖1～圖3所示。

1.1.3坐標(biāo)系

本模型坐標(biāo)系為：坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)取在#63肋位船體船舯甲板處。X軸指向船首為正;Y軸由原點(diǎn)指向左舷為正;Z軸垂直向上為正。

1.1.4邊界條件

模型的兩端（簡(jiǎn)稱A端和B端）均需約束。

1.2工況及載荷

1.2.1計(jì)算工況

根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》及完整穩(wěn)性計(jì)算書考慮以下2種工況：

工況1：全部燃料備品30°的變幅（吊桿沿船長(zhǎng)方向）。

工況2：全部燃料備品30°的變幅（吊桿沿船寬方向）。

1.2.2載荷計(jì)算

根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》將計(jì)算載荷加在基座構(gòu)建模型的最頂端，且合力的作用位置應(yīng)設(shè)在加載斷面的幾何形心處，采用MPC（多點(diǎn)約束/主從節(jié)點(diǎn)）方式進(jìn)行加載[2]。作業(yè)時(shí)當(dāng)正橫且變輻30度時(shí)產(chǎn)生最大傾側(cè)力矩Mmax。載荷詳見表1。加載模型見圖4～圖5。

2分析結(jié)果

起重船分段的強(qiáng)度有限元應(yīng)力匯總見表2。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果如下：

（1）分段應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在工況2，即吊桿沿船寬方向起吊作業(yè)時(shí)，基座圓筒與船底板90號(hào)肋位附近相交位置。該工況下船體橫向構(gòu)件如橫艙壁、肋骨等承受了較大應(yīng)力，可見橫向吊裝時(shí)船體橫向構(gòu)件對(duì)載荷起到了很好的分擔(dān)作用。

（2）工況1即縱向吊裝作業(yè)時(shí)，船體的最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在中縱艙壁與96號(hào)肋位船底實(shí)肋板相交處。縱向吊裝作業(yè)時(shí)，船體的縱向構(gòu)件如縱艙壁在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度中起到了重要作用。

（3）分段模型應(yīng)力較大位置均在起重機(jī)基座附近連接的船體結(jié)構(gòu)上。得益于起重機(jī)基座下方的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)，如交叉穿過基座圓筒的橫、縱艙壁，加厚的基座圓筒、橫縱艙壁板，甲板、底板處的八爪支撐結(jié)構(gòu)，都保證了船體關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備。但仍建議該區(qū)域甚至向外延伸區(qū)域甲板和底板也進(jìn)行板厚加強(qiáng)。

3結(jié)論

本文以某58m沿海起重船為例，運(yùn)用子建模技術(shù)，對(duì)船體分段進(jìn)行建模計(jì)算，詳細(xì)分析了起重作業(yè)工況中船體應(yīng)力分布規(guī)律。起重機(jī)基座位置的船體結(jié)構(gòu)是制約其大型化發(fā)展的主要難題，通過可靠的有限元計(jì)算，為起重船初步設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持，對(duì)該類型船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性建議。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬亮，蔣晟梧，李明明.起重船旋轉(zhuǎn)吊機(jī)的布置及支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].廣東造船，2021，40（02）：30-33.

[2]王佚，張少雄，張華.錨機(jī)支撐結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度兩種直接計(jì)算方法對(duì)比[J].船海工程，2015，44（06）：50-54+59.

[3]國內(nèi)航行海船建造規(guī)范[S].

[4]船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范[S].