不同邊界條件下扒桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形對比分析

賀 幸，楊培青

(1.九江市港口航運(yùn)管理局, 江西 九江 332000； 2.中國船級社 上海規(guī)范研究所，上海 200135)

0 引言

隨著我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)、基建行業(yè)的發(fā)展，越來越多的起重船被建造和投入使用。扒桿作為起重船上最為重要的結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度問題一直備受建造者及使用者的關(guān)注。在扒桿強(qiáng)度分析領(lǐng)域，學(xué)者們已經(jīng)做了大量研究工作。張云志[1]基于某內(nèi)河150 t起重打撈船扒桿，根據(jù)中國船級社規(guī)范，采用有限元的方法校核了典型工況下扒桿的強(qiáng)度及穩(wěn)定性；吳英照[2]以某內(nèi)河船100 t起重船起重扒桿為研究對象，綜合考慮了包括起吊載荷、起升角度、風(fēng)載荷、船舶傾斜等因素，對扒桿作業(yè)工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了評估；王貴彪等[3]基于MSC.PATRAN/NASTRAN軟件對內(nèi)河B級航區(qū)的120 t起重船扒桿進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性研究，并提出了部分結(jié)構(gòu)加固改進(jìn)措施和注意事項；龐君等[4]以某250 t起重船為研究對象，通過直接計算的方法評估了其作業(yè)狀態(tài)下的強(qiáng)度和穩(wěn)定性；周國寶等[5]、徐逸舟等[6]均基于不同型號與不同起吊載荷的扒桿，采用有限元直接計算法進(jìn)行了扒桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

對比上述文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對于扒桿的邊界條件均是采用沿鋼絲繩方向施加線位移約束的方式。為了能夠更加準(zhǔn)確地模擬扒桿在實(shí)際作業(yè)過程中的受力情況，本文以某內(nèi)河4 000 kN起重船為研究對象，基于《船舶及海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》(2007)(下文簡稱《起重規(guī)范》)和《起重設(shè)備法定檢驗技術(shù)規(guī)則》(1999)(下文簡稱《起重法規(guī)》)等規(guī)范，采用建立扒桿鋼絲繩取代沿鋼絲繩方向施加線位移約束的方式來校核該船的扒桿強(qiáng)度，將2種約束得出的有限元結(jié)果進(jìn)行對比，為扒桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估方法提供一定參考。

1 有限元模型

本文所分析的起重船扒桿模型為左右對稱結(jié)構(gòu)，采用有限元分析軟件MSC.PATRAN建立扒桿模型。模型中所有板架結(jié)構(gòu)、主桿、加強(qiáng)板均采用二維3、4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬，其他支撐管件及型材用2節(jié)點(diǎn)梁單元模擬。模型材料參數(shù)如下：彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7.85×103kg/m3。扒桿模型節(jié)點(diǎn)數(shù)166 515個，單元數(shù)172 362個。扒桿整體模型見圖1、圖2。

圖1 扒桿整體模型圖

圖2 扒桿模型俯視圖

本模型坐標(biāo)系為：坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)取在扒桿根部；X軸為沿臂架所在平面，由扒桿根部指向扒桿頭部為正；Y軸由原點(diǎn)指向扒桿根部左側(cè)軸套的中心點(diǎn)；Z軸垂直于扒桿平面向上。

2 計算工況及邊界條件

2.1 計算工況

根據(jù)《起重規(guī)范》及該船的起重系統(tǒng)受力計算書，本文挑選的典型計算工況見表1。

表1 典型計算工況

2.2 邊界條件

本文采用2種不同邊界條件對同一扒桿進(jìn)行強(qiáng)度分析，分別見表2、表3。2種邊界條件在扒桿底端連接處一致，均采用放開船寬方向的轉(zhuǎn)動自由度，約束其余自由度的方式。2種邊界條件不同點(diǎn)在于扒桿頂端拉索處與鋼絲繩端點(diǎn)處的約束形式。

表2 第1種約束方式

表3 第2種約束方式

第1種約束方式比較常見，在大部分文獻(xiàn)中均有記載。本文主要對第2種約束方式進(jìn)行分析，約束方式見圖3、圖4。

圖3 第2種約束方式整體圖

圖4 第2種約束方式局部圖

本文鋼絲繩采用Rod單元模擬，該單元可以承受軸向載荷的扭轉(zhuǎn)載荷的作用。本起重船鋼索型號為44ZAA-8X36SW-IWR-1770 GB 8919—1996，共有8股繩索；股繩索由36根鋼絲擰成，鋼索彈性模量為1.45×105MPa。

3 計算結(jié)果及分析

根據(jù)MSC/NASTRAN軟件計算得到4種工況、2種約束方式下扒桿的應(yīng)力值與變形值，結(jié)果見表4。

表4 2種邊界方式分析結(jié)果匯總

從表4發(fā)現(xiàn)，等效應(yīng)力最大差值為60 MPa，桿單元軸向應(yīng)力最大差值為12.9 MPa，且應(yīng)力最大差值均出現(xiàn)在工況LC4，即扒桿50°放置狀態(tài)、船舶橫傾30°的極限工況，其余工況的應(yīng)力差值較小。對比2種約束情況下最大應(yīng)力值位置可以發(fā)現(xiàn)，兩者最大應(yīng)力值除了數(shù)值的差別外，最大值所處位置一致，可以看成2種約束形式在力學(xué)上達(dá)到的效果是一致的。

對比2種約束形式的變形情況發(fā)現(xiàn)，第2種約束方式的變形值均大于第1種。這是由于第2種約束方式考慮了繩索彈性模量的影響，差值最大值出現(xiàn)在起升工況。2種約束情況下，橫傾30°工況扒桿整體的變形情況見圖5～圖8。

由圖5、圖6可以看出，2種約束形式下扒桿在Y向的變形差距較大。采用第1種約束形式扒桿頭部由于未考慮鋼索的影響，被強(qiáng)行約束住；而第2種約束的變形更加貼近現(xiàn)實(shí)，由扒桿頭部開始向Y向偏移。

圖5 第1種約束下扒桿變形(俯視圖)(單位：MPa)

圖6 第2種約束下扒桿變形(俯視圖)(單位：MPa)

由圖7、圖8對比看出：當(dāng)采用約束方式1時，扒桿Z向沒有產(chǎn)生出較大的變形；而約束形式2，即采用鋼絲繩索模擬扒桿的受力情況時，扒桿呈現(xiàn)出明顯的下沉情況。

圖7 第1種約束下扒桿變形(側(cè)視圖)(單位：MPa)

圖8 第2種約束下扒桿變形(側(cè)視圖)(單位：MPa)

第1種約束方式采用局部坐標(biāo)系約束的方式，方向是沿著扒桿繩索的方向，將該方向的約束分解可以得到Z向的約束，即采用該種方式放大了扒桿頂部在Z向受到的約束。采用第2種約束形式，即建立鋼絲繩索的方式，將約束施加在鋼絲繩索端部，能更加準(zhǔn)確模擬扒桿的受力情況。在扒桿真實(shí)的受力過程中，扒桿頂部是處于一個相對自由的狀態(tài)，僅靠鋼絲繩索固定。當(dāng)船體運(yùn)動幅度較大時，扒桿的運(yùn)動趨勢也會增加，此時鋼絲繩會產(chǎn)生一個阻止扒桿運(yùn)動的繩索拉力。鋼絲繩有一定的變形幅度。當(dāng)扒桿運(yùn)動狀態(tài)較大時，鋼絲繩受力較大，繩索的變形也會增加。隨著鋼絲繩的變形，扒桿的角度也會產(chǎn)生一定的變化。和約束形式1的剛性約束相比，約束形式2是一種柔性約束。該方式考慮了繩索變形情況的耦合，并且繩索約束的形式并不會將頭部約束的自由度完全固定，更加貼合實(shí)際的受力情況。正是這兩種約束的差異導(dǎo)致了在橫傾較大工況時，扒桿變形的差異。

4 結(jié)論

本文基于某內(nèi)河4 000 kN起重船，對比了2種約束方式下扒桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，現(xiàn)得出結(jié)論如下：

(1)在普通吊裝工況及過橋工況下，2種約束方式對應(yīng)扒桿的應(yīng)力情況基本相似，故在吊裝及過橋工況下2種約束形式都可以用來分析扒桿強(qiáng)度。

(2)當(dāng)船體出現(xiàn)較大的橫傾工況時，如本文所分析的橫傾30°極限工況，2種約束方式的應(yīng)力分析結(jié)果差距較大。這是由于采用第1種約束形式代替鋼絲繩完全固定了扒桿的運(yùn)動情況，扒桿變形小于實(shí)際情況，致使橫向變形較小未能達(dá)到實(shí)際狀態(tài)。

(3)對比2種約束形式來看，2種約束對扒桿的應(yīng)力分析基本相似，在應(yīng)力分析方面均能準(zhǔn)確呈現(xiàn)應(yīng)力分布狀態(tài)；在扒桿變形分析方面，約束形式1縮小了扒桿的變形，約束形式2放大了扒桿變形。由于在實(shí)際過程中繩索起升裝置會一直拉動繩索，不會出現(xiàn)扒桿整體下沉較多的情況，故在分析變形時建議結(jié)合約束1和約束2的結(jié)果進(jìn)行研究。