3 000 t起重船扒桿結構強度有限元分析

梁 鵬，鄧映雪，張雨晨，李 磊，萬宇飛

(1.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459；2.浙江海洋大學 船舶與海運學院，浙江 舟山 316022)

0 引言

隨著我國大型海上工程和海洋油氣開發工作的不斷發展，起重船作為非常重要的工程船之一，近年來在技術和構件方面也得到了逐步的改善，尤其是起重船上的扒桿結構成為了主要研究的優化對象之一。目前為止，針對1 000 t以下的起重船扒桿的結構強度及穩定性都進行了較為全面的研究，但是針對1 000 t以上的大型起重船扒桿結構研究還比較少。王慶豐以某1 000 t起重船為例利用MSC有限元軟件對在不同工況作業下的船體、龍門架、千斤柱的強度進行了校核，指出了各部分的薄弱環節。尹睿以某1 200 t起重船為研究對象，校核了該船結構的穩定性和強度，并比較不同的結構加強方案的改進效果，選擇最優方案對起重船進行改進。吳英照通過有限元分析計算了100 t起重船起重扒桿的強度和穩定性。張云志通過建立某內河150 t起重打撈船打撈扒桿的有限元模型，使用MSC.Patran軟件對扒桿的屈服強度和穩定性進行評估研究。同時，田雷等、龐君等也針對起重船扒桿強度分析進行相關研究。本文針對3 000 t起重船扒桿結構采用有限元方法進行強度校核計算，以《船舶與海上設施起重設備規范(2007)》(下文簡稱《規范》)和《起重設備法定檢驗技術規則(1999)》為規范準則，并且根據不同工況下的計算結果進行分析。

1 起重船船型概述

3 000 t起重船為自航式起重船，吊鉤組自重為420 kN，吊鉤滑輪輪組工作繩數為16繩，在內河B級航區進行起吊作業。設置的起重扒桿工作角度為30.0°～61.1°，最小30°仰角工作負荷為3 000 kN，最大61.1°仰角工作負荷為30 000 kN。在不同起重臂架仰角時的起重安全工作負荷見表1。

表1 起重安全工作負荷

2 有限元模型

2.1 模型建立

本文采用Nastran軟件進行有限元分析。在建模過程中，其軸沿船體縱向指向船首，軸沿船寬方向指向左舷側，軸沿船體垂向。該模型全部采用梁單元模擬，模型施加集中力，以MPC形式傳遞載荷，模型見圖1。

2.2 計算載荷

在計算中，不僅要考慮扒桿所受到的自重載荷，還需要考慮起升載荷、船舶傾斜所產生的起重載荷水平分力及起升系數等。

圖1 有限元模型

該起重船的船長小于4倍的船寬，故起重機應該考慮縱傾角度為2°、橫傾角度為3°時可以安全有效的作業。按照《規范》中表3.2.4規定:作業系數=1.05，重型起重機的起升系數為=1.1，且自重載荷以重力加速度方式加載，軸、軸和軸方向的具體重力加速度如下所示：

=105sin2°=0.359 m/s

=105sin3°=0.539 m/s

=-105=-10.290 m/s

風速產生的風壓計算公式為

=0.613

(1)

此時，起重機在工作時的風速應當為20 m/s，故此時工作狀態時產生的風壓為

=0.245 2 MPa

(2)

表2 各工作角度下的工作負荷和風力

參照《規范》，作用在起重機結構上或單個構件上的風力計算公式為：

=

(3)

式中：為風力系數，方向與風向同；為構件的投影面積，方向與風向垂直，m，組合結構的投影面積為結構上每個構件的投影面積之和。

表3為計算工況及其載荷組成匯總。

2.3 邊界條件

扒桿最底端與船連接處使用鉸支固定連接，扒桿頂端使用變幅鋼索約束。有限元模型的邊界條件見表4和圖2。

3 計算結果

本計算根據《規范》中規定，計算分析了每一個工作角度扒桿在無風、有風及試驗工作狀態下的受力情況。許用應力按下式計算：

(3)

表3 計算工況及其載荷組成

式中：為系數，取1.0；為屈服極限，對于Q345B強度鋼，取345 MPa；為安全系數。

參數及許用應力見表5。

表4 邊界條件

圖2 邊界條件示意圖

表5 安全系數n及許用應力

從起重扒桿各工況下最大應力匯總結果可知：各個工況下所受到的等效應力和最大剪切應力值均滿足規范條件；但是，在工況4時等效應力和最大剪切應力最大，同時在該工況下，橫向受風時所受到的應力最大；其余工況下的等效應力和最大剪切應力相較于規范條件還有一定的空間。

圖3和圖4列出了工況4在橫向受風時的扒桿等效應力云圖及剪切應力云圖。

從圖3和圖4中可以看出，該起重船扒桿的應力集中在其延長桿右面的扒桿梁處，因此要著重加強該部分的結構強度。

4 結語

本文以某3 000 t起重扒桿船為研究對象，應用Nastran軟件計算了扒桿延長后結構強度問題，對該扒桿結構進行強度分析及校核，所得計算結果滿足《船舶及海上設施起重設備規范》和《起重設備法定檢驗技術規則》相關規范和規則。對比計算結果可知，《規范》中建議計算的各工況最大應力出現在起重扒桿角度為46.1°，且為橫向受風狀態。本文計算工況中的應力集中體現在扒桿延長桿的右側連接處，在該部位應予以加強，計算內容為大型起重扒桿結構的延長桿設計與優化提供了參考依據。

圖3 工況4扒桿結構等效應力云圖(單位：MPa)

圖4 工況4扒桿結構最大剪切應力云圖(單位：MPa)