程玉芹，羅廣恩

(1.淮海工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 連云港 222003；2.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

上層建筑在起吊沖擊載荷作用下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

程玉芹1，羅廣恩2

(1.淮海工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 連云港 222003；2.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

以10.5萬(wàn)t油船為例，根據(jù)電機(jī)啟動(dòng)特性，運(yùn)用MD/Nastran軟件瞬態(tài)分析方法，對(duì)上層建筑在起吊瞬間各種不同工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)上層建筑平穩(wěn)吊裝過(guò)程中的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)對(duì)比這2個(gè)階段的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，檢驗(yàn)?zāi)壳笆褂玫纳蠈咏ㄖ跹b安全系數(shù)的可靠性。

上層建筑;起升沖擊載荷; 安全系數(shù); 瞬態(tài)分析

0 引言

上層建筑吊裝強(qiáng)度的常規(guī)計(jì)算方法是參考有限元直接計(jì)算指南[1]來(lái)進(jìn)行有限元建模和計(jì)算的，通常采用吊裝前和吊裝過(guò)程中2個(gè)階段對(duì)上層建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形進(jìn)行校核。吊裝前，結(jié)構(gòu)放置于平臺(tái)胎架上，慣性載荷即為重力加速度；吊裝過(guò)程中，考慮到起吊瞬間對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊作用，將慣性載荷取為原重力加速度的1.1或1.2倍來(lái)近似模擬等效的沖擊載荷，計(jì)算時(shí)采用靜力計(jì)算的方法。該方法操作簡(jiǎn)便，但準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步研究。

在實(shí)際吊裝過(guò)程中，起吊時(shí)刻上層建筑結(jié)構(gòu)所受到的沖擊載荷是一個(gè)瞬態(tài)的過(guò)程。吊點(diǎn)處的外載荷不是一個(gè)固定值，而是一個(gè)在很短的時(shí)間內(nèi)由零增加到結(jié)構(gòu)自重的變化值，計(jì)算在這樣一種隨時(shí)間變化的激勵(lì)載荷下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，必須借助瞬態(tài)分析的方法。用于瞬態(tài)響應(yīng)分析的數(shù)值方法有2種[2,3]：直接法和模態(tài)法。何成忠[4]、湯秀麗[5]、王貢獻(xiàn)[6]、趙爽[7]等采用瞬態(tài)分析的方法各自對(duì)不同形式的起重機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，為不同形式的起重機(jī)動(dòng)載荷的修正提供了理論依據(jù)。

本文將參考上述學(xué)者在起重機(jī)方面的研究，以105 000 DWT油船為例，采用瞬態(tài)分析中的直接法，并考慮結(jié)構(gòu)阻尼的影響，詳細(xì)分析上層建筑吊裝時(shí)，起升沖擊載荷對(duì)上層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響；計(jì)算不同起吊加速持續(xù)時(shí)間和起升電機(jī)特性下，上層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化情況；尋找到一個(gè)合理的起吊加速持續(xù)時(shí)間和恒定吊裝速度，并檢驗(yàn)?zāi)壳安捎玫陌踩禂?shù)的可靠性。

1 上層建筑基本資料及有限元模型

105 000 DWT油船上層建筑共有5層，自上而下分別為羅經(jīng)甲板、駕駛甲板、C 甲板、B 甲板、A 甲板。該船上層建筑沿船長(zhǎng)方向?yàn)?8.0 m(Fr29-2 000 mm至Fr49)，船寬方向?yàn)?2.0 m(上層建筑左右舷圍壁間距26.24 m)，船深方向?yàn)?3.9 m(羅經(jīng)甲板 2.7 m、駕駛甲板 2.8 m、C甲板2.8 m、B 甲板2.8 m、A 甲板 2.8 m)。上層建筑各層甲板采用橫骨架式，在右舷靠船中設(shè)樓梯通道，F(xiàn)r29、Fr47分別設(shè)圍壁板，F(xiàn)r35、Fr38分別設(shè)壁板；肋距800 mm，縱骨間距820 mm；上層建筑結(jié)構(gòu)全部采用普通碳素鋼，船體重量為348.386 t，重心靠左舷。

利用MSC/Patran軟件對(duì)105 000 DWT油船5層上層建筑船體結(jié)構(gòu)建立有限元模型，如圖1所示。依據(jù)文獻(xiàn)[1]，有限元網(wǎng)格尺寸沿船長(zhǎng)方向每肋位2個(gè)單元，船寬方向每縱骨間距2個(gè)單元；有限元模型中的板材均為平面板，板材采用四節(jié)點(diǎn)四邊形單元；橫梁、縱骨、縱桁采用梁?jiǎn)卧M。建模時(shí)采用分組技術(shù)，共有79個(gè)組(Groups)、44 848個(gè)節(jié)點(diǎn)(Nodes)、58 850個(gè)單元(Elements)。

圖1 105 000 DWT油船上層建筑整體結(jié)構(gòu)有限元模型

通過(guò)定義全船結(jié)構(gòu)有限元模型中構(gòu)件單元的尺寸和密度，可以由程序自動(dòng)計(jì)算船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼材自重。居裝件的重量主要是甲板敷料的重量，居裝重量以分布力的形式施加到駕駛甲板、C甲板、B 甲板、A 甲板4層甲板上；其余重量相對(duì)較小，以密度的形式均勻施加于結(jié)構(gòu)。調(diào)整結(jié)構(gòu)的重量重心，使其與實(shí)際結(jié)構(gòu)的重量重心相一致。

有限元模擬過(guò)程中的材料模型選擇線彈性模型，密度7 850 kg/m3，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比v=0.3。

2 起吊瞬間不同工況下上層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

在上層建筑由靜止到額定工作速度整個(gè)起升過(guò)程中的加速度主要取決于起升電機(jī)啟動(dòng)加速度特性。根據(jù)起升瞬態(tài)過(guò)程中的加速度變化曲線，可以得到上層建筑起升瞬態(tài)過(guò)程中的速度變化曲線。因此，起升電機(jī)的加速度曲線是決定上層建筑吊裝起升瞬態(tài)過(guò)程中沖擊載荷的關(guān)鍵因素。目前，龍門吊所采用的起升電機(jī)大都為變頻電機(jī)，其調(diào)速性能良好，加速度特性曲線可以調(diào)成任意形式的特征曲線。變頻電機(jī)的加速度特性曲線[1]有4種：半正弦(half-sine)加速曲線；正矢(versed-sine)加速曲線；梯形(trapezoidal)加速曲線；三角形(triangular)加速曲線，如圖2所示。圖2中，a(t)為變頻電機(jī)的加速度，是一個(gè)隨起吊加速持續(xù)時(shí)間τ變化的量；A為加速度幅值；r和h對(duì)應(yīng)著梯形起升加速度曲線中的兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

圖2 4種起升加速度曲線

由于與加速度特性曲線相關(guān)的因素有起吊加速持續(xù)時(shí)間τ以及起吊瞬態(tài)過(guò)程結(jié)束時(shí)刻的恒定吊裝速度v，因此本文分析不同的加速度特性曲線中τ和v的取值對(duì)起升沖擊載荷下上層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，通過(guò)對(duì)比分析得到一個(gè)合理的起吊加速持續(xù)時(shí)間和恒定吊裝速度，并確定上層建筑吊裝的安全系數(shù)。

對(duì)于起升電機(jī)采用半正弦加速曲線的情況，本文選擇5種不同的起吊加速時(shí)間τ=1、1.5、2、2.5、3 s，結(jié)合4種不同的恒定吊裝速度v=0.6、0.8、1、1.2 m/s共20種工況進(jìn)行分析。對(duì)于后續(xù)的另外3種加速曲線，將同樣采用此20種分析工況。為了便于區(qū)分，將工況前面加上不同加速曲線的首字母縮寫，見(jiàn)表1。

表1 半正弦加速曲線下結(jié)構(gòu)的分析工況

除了上層建筑吊裝前的重力載荷及居裝件重量外，根據(jù)吊裝方式及工況的不同，在吊點(diǎn)處施加不同的速度函數(shù)。圖3為對(duì)應(yīng)于起吊加速時(shí)間為1 s時(shí)不同恒定吊裝速度下的速度-時(shí)間曲線，即v-τ曲線。

圖3 幾種不同工況下的速度曲線圖

采用MD/Nastran軟件進(jìn)行瞬態(tài)分析，結(jié)果如圖4～圖5所示，可以得出：

圖4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

在起吊加速時(shí)間為1～2 s時(shí)，上層建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)力隨時(shí)間降低的幅度大于起吊加速時(shí)間為2～3 s的情況?？梢?jiàn)，增加起吊加速時(shí)間τ可以減輕沖擊載荷對(duì)上層建筑結(jié)構(gòu)的沖擊，但過(guò)長(zhǎng)的加速時(shí)間對(duì)降低上層建筑應(yīng)力值效果并不十分顯著；同一起吊加速時(shí)間下，速度越小，上層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力值越小，但降低幅度較小，恒定吊裝速度對(duì)上層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響程度小于起吊加速時(shí)間對(duì)其的影響。

圖5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨吊裝速度變化曲線

圖6為龍門吊吊裝方式下，起吊加速時(shí)間3 s時(shí)，工況BZX-LC1下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。

圖6 工況BZX-LC1下上層建筑應(yīng)力云圖

對(duì)于起升電機(jī)采用其他3種加速曲線的情況，同樣選擇上節(jié)采用的20種工況進(jìn)行分析，結(jié)果與半正弦加載曲線的結(jié)果類似?？芍翰煌铀偾€的不同工況中，起吊加速時(shí)間為3 s，恒定吊裝速度為0.6 m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)于工況LC1-5下，結(jié)構(gòu)所受到的沖擊作用最小。

3 平穩(wěn)吊裝過(guò)程中上層建筑吊裝強(qiáng)度

上層建筑起吊至離地300 mm距離后，將作仔細(xì)檢查，確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行正式吊運(yùn)。在正式吊裝過(guò)程中，結(jié)構(gòu)處于靜力平衡狀態(tài)。

由于上層建筑吊裝過(guò)程中，結(jié)構(gòu)在不斷運(yùn)動(dòng)，處于“全自由”狀態(tài)，但是對(duì)它進(jìn)行有限元靜力分析時(shí)，不能處理為全自由結(jié)構(gòu)。慣性釋放是MD/Nastran中的一個(gè)高級(jí)應(yīng)用，允許對(duì)完全無(wú)約束的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析,簡(jiǎn)單地說(shuō)就是用結(jié)構(gòu)的慣性力來(lái)平衡外力。盡管結(jié)構(gòu)沒(méi)有約束，分析時(shí)仍假設(shè)其處于一種“靜態(tài)”的平衡狀態(tài)。采用慣性釋放功能進(jìn)行靜力分析時(shí)，只需要對(duì)1個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行6個(gè)自由度的約束(虛支座)[8]。約束點(diǎn)可以由軟件自行選擇，也可以人工選擇，2種方法得出的應(yīng)力結(jié)果完全相同。

對(duì)上層建筑吊裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力可采用慣性釋放技術(shù)進(jìn)行分析。

慣性載荷在型深方向取az=g=9.8 m/s2，其余方向?yàn)?。吊孔位置受到纜繩向上的拉力，大小與結(jié)構(gòu)的自重相等。將建好的有限元模型調(diào)入MD/Nastran計(jì)算，上層建筑吊裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力與變形匯總見(jiàn)表2。

表2 上層建筑吊裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力與變形

圖7為龍門吊吊裝方式下，上層建筑結(jié)構(gòu)在吊裝過(guò)程中的應(yīng)力分布圖。

圖7 吊裝過(guò)程中上層建筑整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

4 吊裝工藝中安全系數(shù)可靠性驗(yàn)證

根據(jù)起吊瞬間及平穩(wěn)吊裝過(guò)程中2個(gè)階段上層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分析，可以分別得到2個(gè)階段上層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力的最大值。根據(jù)起吊瞬間的沖擊載荷對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，確定若采用靜力計(jì)算替代瞬態(tài)分析，應(yīng)該選擇多大的安全系數(shù)，并判斷目前上層建筑吊裝有限元分析中安全系數(shù)的選取是否合理，結(jié)果見(jiàn)表3。

安全系數(shù)由起吊瞬間的最大應(yīng)力值除以平穩(wěn)吊裝過(guò)程中的最大應(yīng)力值得到。這里起吊瞬間不同起升電機(jī)加速曲線下，上層建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值為起吊加速時(shí)間取3 s，恒定吊裝速度取0.6 m/s(對(duì)應(yīng)工況LC1-5)，以及起吊加速時(shí)間取1 s，恒定吊裝速度取1.2 m/s(對(duì)應(yīng)工況LC4-1)情況下的應(yīng)力值，分別對(duì)應(yīng)各種起升電機(jī)加速曲線下，上層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力的最小值和最大值，其他工況下上層建筑的應(yīng)力值介于兩者之間。

表3 上層建筑吊裝工藝安全系數(shù)可靠性驗(yàn)證

由表3可以看出：

(1) 2種不同的吊裝方式下，起升電機(jī)為正矢加速曲線，起吊加速時(shí)間取1 s，恒定吊裝速度取1.2 m/s時(shí)，結(jié)構(gòu)需要選取的安全系數(shù)最大。

(2) 半正弦加速曲線、梯形加速曲線及三角形加速曲線情況下，結(jié)構(gòu)選取的安全系數(shù)相差不大。

目前，上層建筑吊裝過(guò)程中選用的安全系數(shù)為1.1或1.2，可以看出這樣的安全系數(shù)值在起吊加速時(shí)間長(zhǎng)，吊裝速度小的情況下準(zhǔn)確性很高。

5 結(jié)論

本文以105 000 DWT油船上層建筑為例，采用MSC/Patran及MD/Nastran軟件對(duì)上層建筑吊裝過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，起吊瞬間考慮了4種不同的加速度曲線，并根據(jù)起吊加速時(shí)間以及恒定吊裝速度的不同設(shè)置了20種組合工況，得出了上層建筑起吊瞬態(tài)過(guò)程中，較為合理的起吊加速時(shí)間和恒定吊裝速度。根據(jù)起吊瞬態(tài)過(guò)程與平穩(wěn)吊裝過(guò)程中上層建筑最大應(yīng)力值的對(duì)比，判斷現(xiàn)有上層建筑安全系數(shù)的合理性。結(jié)論如下：

(1)不論采用何種起升電機(jī)加速曲線，起吊加速時(shí)間愈長(zhǎng)，恒定吊裝速度越小，沖擊載荷對(duì)上層建筑應(yīng)力值的影響愈小。恒定吊裝速度v對(duì)上層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響程度小于起吊加速時(shí)間τ對(duì)其應(yīng)力的影響。在實(shí)際吊裝過(guò)程中，選擇較小的吊裝速度及較長(zhǎng)的起吊加速時(shí)間，可以有效地降低上層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

(2)結(jié)合船廠吊裝的實(shí)際速度與時(shí)間，上層建筑吊裝過(guò)程中選用的安全系數(shù)為1.1或1.2，具有較高的準(zhǔn)確性。

[1]中國(guó)船級(jí)社.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南[M].北京：人民交通出版社,2001.

[2]楊劍, 張璞, 陳火紅.新編MD /Nastran有限元實(shí)例教程[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[3]黃海燕, 劉曉衛(wèi).集裝箱船結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析[J]. 船海工程, 2011,40(2):22-24.

[4]何成忠，胡吉全，王新華.帶斗門座起重機(jī)在卸載沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)特性研究[J]. 港口裝卸, 2010(2):20-22.

[5]湯秀麗, 李和平.固定式起重機(jī)的支撐圓筒在地震載荷下的動(dòng)態(tài)特性研究[J]. 港口裝卸, 2009(1):10-11.

[6]王貢獻(xiàn),沈榮瀛.起重機(jī)臂架在起升沖擊載荷作用下動(dòng)態(tài)特性研究[J]. 機(jī)械強(qiáng)度, 2005,27(5):561-566.

[7]趙爽，等.抓斗起重機(jī)主梁動(dòng)特性有限元分析[J]. 煤礦機(jī)械, 2011,32(9):79-80.

[8]張少雄, 楊永謙.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算中慣性釋放的應(yīng)用[J]. 中國(guó)艦船研究, 2006(1):58-61.

2014-06-17

程玉芹(1988-)，女，助教，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度分析。

U661.43

A