90 m加油船輸油臂基座加強結構強度分析

劉 聰，張 偉

(1.招商局金陵鼎衡船舶(揚州)有限公司, 江蘇 揚州 225217;2.江蘇海事職業技術學院 船舶與海洋工程學院，江蘇 南京 211170)

0 引言

輸油臂是加油船的重要部分之一，輸油臂作業時，將輸油臂船上的接頭和泊位上的管線連接起來，通過船上的動力裝置，將船艙里的油送到管線里，再順著管線送到罐區或者裝車區。這些操作導致船舶輸油臂部位工作強度高、使用頻繁，所以通過精確的計算來判斷該處基座結構是否滿足工作需要就至關重要。通過對輸油臂基座加強結構進行數值模擬，分析其在實際工作環境下的應力情況，有利于使用方清楚了解設備工作情況。

某起重船針對在直升機和行車各自及載荷聯合作用下上層建筑甲板的屈服強度和舷側結構的屈曲強度，應用有限元方法進行了強度分析，各工況計算結果均達到規范要求。有限元方法雖在船舶領域應用廣泛，但并未擴展到加油船輸油臂基座加強結構的計算。

本文以某90 m加油船為研究對象，采用有限元軟件MSC.Patran/ Nastran，對該加油船在輸油臂0°、45°、90° 3種回轉角度下的基座加強結構強度進行計算，并根據中國船級社《鋼質海船入級規范》(2018)(以下簡稱《規范》)進行了校核。

1 有限元模型建立

1.1 主尺度

90 m加油船是一種搭載柴油機動力、具備雙螺旋槳推進形式、雙舵機操縱的近海航區輸油船，其船體結構形式為混合骨架式，底部采用雙層底、雙舷側結構形式，且艏艉對稱、左右舷側對稱。

主要參數下：

總長90.0 m，型深2.5 m，型寬14.0 m，梁拱0.14 m，設計吃水1.0 m。

1.2 坐標系定義

坐標系定義為：本文計算取直角坐標系；軸沿船長指向船首為正，軸沿船寬指向左舷為正，軸沿型深向上為正。

1.3 艙段有限元模型

本模型的縱向范圍為Fr115～Fr123，橫向范圍為右舷舷側到第1個強肋位處，垂向范圍為船體型深。由于在甲板右舷2個肋位處的結構具有相似性，因此計算時可選取其中一處的輸油臂基座及其附近船體結構進行計算分析。

甲板面、基座和艙壁等用板單元模擬，對于各類板上的縱骨、扶強材、普通肋骨等用梁單元模擬，并考慮偏心的影響。強肋骨、強縱桁的T材面板用梁單元，腹板用板元，輸油臂用多點約束(MPC)剛性模擬。輸油臂基座加強結構有限元模型見圖1。

圖1 輸油臂基座加強結構有限元模型

1.4 邊界條件

按照《規范》要求，邊界條件為在新增加的煙囪與原煙囪連接部分以及上甲板邊緣部分施加簡支約束，即對各節點、、3個位移分量進行約束，邊界條件見圖2。

圖2 邊界條件

2 載荷施加

本船配備DN200裝卸臂。DN200裝卸臂的載荷有：垂直載荷135 kN和傾覆力矩320 kN·m。模型中所有力均施加在上甲板上方距基座面板高度為4.0 m的MPC獨立點上。考慮到對稱性和裝卸臂的回轉角度，可選取0°、45°、90° 3種工況分別進行計算。各工況模型受力見表1。

表1 0°、45°、90°3種工況模型受力情況

3 計算結果

3.1 許用應力

根據《規范》要求，本船各構件許用應力見表2。本船采用A級鋼，其材料換算系數為1.0。

表2 強力甲板及以下結構各構件許用應力

3.2 應力結果匯總

通過對0°、45°、90° 3種工況進行加載分析，得到輸油臂基座加強結構有限元模型的剪切應力、合成應力、梁單元最大應力、梁單元最小應力結果，見表3。

表3 0°、45°、90° 3種工況加載分析應力結果 單位：MPa

通過對應力結果的分析得到，90°工況下合成最大應力為30.1 MPa，45°工況下剪切最大應力為9.66 MPa，90°工況下梁單元最大應力為76.5 MPa，90°工況下梁單元最大應力為92.2 MPa，均未超過許用應力。經過有限元數值模擬計算，90 m加油船輸油臂基座加強結構的強度滿足規范要求，加強結構方案設計合理。

利用有限元軟件MSC.Patran/Nastran，通過對90 m加油船輸油臂基座加強結構0°、45°、90° 3種工況進行應力計算，得到整體結構的應力云圖，分別見圖3～圖5。

圖3 組合應力(0°工況)(單位：MPa)

圖4 組合應力(45°工況)(單位：MPa)

圖5 組合應力(90°工況)(單位：MPa)

4 輸油臂基座螺栓力計算

根據甲板螺栓布置圖，共分為16個螺栓，其分布情況見圖6。

圖6 螺栓編號示意圖

16個螺栓分別進行編號計算。根據《規范》，對于第個螺栓組的軸向力可按下式計算：

(1)

(2)

=+-

(3)

作用于第個螺栓組的剪切力、和合成力可按下式計算：

(4)

(5)

(6)

式中：為作用在第個螺栓組上的朝向方向的剪切力，kN；為作用在第個螺栓組上的朝向方向的剪切力，kN；為作用在第個螺栓組上的合成力，kN。

本文研究的90 m加油船輸油臂基座的螺栓材質為35#鋼，螺栓規格M42，屈服極限為315 MPa，按照《規范》要求，安全系數大于2，得到螺栓的應力[]=157.5 MPa，剪應力[]=78.75 MPa，截面積=1 121 mm。

(1)取最大軸向力=8.67 kN校核正應力：

=7.734 MPa<[],滿足強度要求。

(2)取最大剪切力=5.75 kN校核剪切力：

=5.13 MPa<[],滿足強度要求。

5 結論

(1)該90 m加油船的輸油臂基座附近結構的應力值最大的地方位于螺栓部位，但是均小于許用應力值；輸油臂基座加強結構強度滿足《鋼質海船入級規范》(2018)要求。

(2)本文研究的90 m加油船已經在船廠投入實際使用，輸油臂安全性能滿足要求。對于輸油臂而言，由于其載荷和彎矩均較大，且自身重量也較大，為保證船體結構的安全，需進行結構加強和結構強度分析。