譚忠能，王朝波，趙 藤

(1. 西湖船舶制造有限責(zé)任公司，四川 廣元 628313；2. 重慶交通大學(xué) 航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶 400074)

液壓吊機(jī)船體加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

譚忠能1，王朝波1，趙 藤2

(1. 西湖船舶制造有限責(zé)任公司，四川 廣元 628313；2. 重慶交通大學(xué) 航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶 400074)

依據(jù)船用液壓折臂吊機(jī)的載荷要求，提出2種不同的基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)方案。建立吊機(jī)基座及船體加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的有限元模型，依據(jù) CCS 規(guī)范對(duì)基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接計(jì)算分析，對(duì)比各工況下2種方案的應(yīng)力大小。根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果，提出建議采用的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)方案，分析結(jié)果可為船用吊機(jī)基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

液壓吊機(jī)；加強(qiáng)結(jié)構(gòu)；有限元方法；規(guī)范校核

0 引 言

船用液壓折臂吊機(jī)主要用于救生艇吊放以及甲板貨物搬運(yùn)等，其工作載荷通常小于5t，屬于小型船用起重設(shè)備。由于具備可折疊功能，節(jié)省甲板空間，近年來在千噸級(jí)以下噸位的船舶得到較為廣泛的應(yīng)用。對(duì)于小噸位船舶，多為單層甲板結(jié)構(gòu)形式，吊機(jī)通常布置在主甲板上。根據(jù)吊機(jī)使用工況，其對(duì)基座的作用載荷可分解為集中力和力矩，方向?yàn)?360°范圍內(nèi)任意角度?；按w加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度直接關(guān)系到船舶的安全性和可靠性，很多船舶及海洋設(shè)施均開展了基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核[1 – 4]?，F(xiàn)有船舶液壓折臂壓吊機(jī)主要采用2種甲板加強(qiáng)方案：一種是在甲板下方設(shè)置短縱桁、橫梁的交叉梁進(jìn)行加強(qiáng)；另一種是甲板下采用圓筒形式的加強(qiáng)方案。本文針對(duì)船用液壓折臂吊機(jī)，依據(jù) CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[5]（下文簡(jiǎn)稱《規(guī)范》），分別建立2種方案基座及甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有限元模型，通過直接計(jì)算對(duì)比吊機(jī)載荷作用下2種方案結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值及產(chǎn)生部位，根據(jù)分析結(jié)果提出甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)選方案。

1 液壓折臂吊基座甲板加強(qiáng)方案

以單甲板船舶為例，針對(duì)液壓折臂吊機(jī)分別提出交叉梁和圓筒式甲板加強(qiáng)方案，為便于對(duì)比，2 種加強(qiáng)方案的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)（如加強(qiáng)橫梁、縱桁等）取相同構(gòu)件尺寸。

1.1 交叉梁式加強(qiáng)方案

交叉梁式甲板加強(qiáng)方案（方案 1）主要是在原來甲板縱桁、強(qiáng)橫梁布置基礎(chǔ)上，在吊機(jī)基座位置周圍一

定范圍增設(shè)短縱桁、短橫梁等 T 型材結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與甲板結(jié)構(gòu)形式上基本一致。

對(duì)于本文研究液壓吊機(jī)，其基座為圓柱形式，基座中心位于 FR18 與距中2600 mm 縱桁交點(diǎn)處。吊機(jī)基座直徑為 620 mm,計(jì)入梯形肘板后最大直徑為 900 mm。

采用交叉梁式加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，對(duì)原甲板做如下加強(qiáng)：

1）FR17、FR19 兩個(gè)肋位在距中1400 mm 和2600 mm縱桁間的普通橫梁改為強(qiáng)橫梁；

2）吊機(jī)基座范圍內(nèi)，2 個(gè)加強(qiáng)橫梁之間增加甲板縱桁；

3）基座范圍內(nèi)甲板板厚增加至10mm，交叉梁式加強(qiáng)方案見圖 1。

圖1 交叉梁式甲板加強(qiáng)方案Fig.1Cross girder deck strengthening scheme

1.2 圓筒式加強(qiáng)方案

圓筒式甲板加強(qiáng)方案（方案 2）主要特點(diǎn)是在甲板下增加與吊機(jī)基座圓筒等直徑的圓筒，結(jié)合交叉的強(qiáng)橫梁、縱桁對(duì)甲板局部進(jìn)行加強(qiáng)。通常情況下，加強(qiáng)圓筒由腹板和面板組成,可通過調(diào)整腹板高度滿足強(qiáng)度和剛度要求。

對(duì)于本文研究?jī)?nèi)容，采用圓筒式加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，對(duì)原甲板做如下加強(qiáng)：

1）FR18 肋位在距中1400 mm 和2600 mm 縱桁間的普通橫梁改為強(qiáng)橫梁；

2）在甲板下對(duì)應(yīng)吊機(jī)基座位置增加圓筒結(jié)構(gòu)，直徑為620mm，圓筒腹板高度與方案1中加強(qiáng)橫梁等高；

3）基座范圍內(nèi)甲板板厚增加至10mm，圓筒式加強(qiáng)方案見圖 2。

2 有限元分析模型

參考《規(guī)范》3.7 節(jié)“甲板設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)”中的建模范圍要求，在三維笛卡爾坐標(biāo)系中建立液壓折臂吊支撐結(jié)構(gòu)有限元模型。

圖2 圓筒式甲板加強(qiáng)方案Fig.2Cylinder type deck strengthening scheme

2.1 坐標(biāo)系

船長方向?yàn)?X 軸，正方向由船尾指向船首；船寬方向?yàn)?Y 軸，正方向由右舷指向左舷；型深方向?yàn)?Z軸，正方向由基線指向甲板。

2.2 模型范圍

以液壓折臂吊機(jī)有效作用平面矩形為中心，向四周分別擴(kuò)展至少1倍的該矩形相對(duì)應(yīng)的長、寬距離，垂向應(yīng)從吊機(jī)基座面擴(kuò)展至甲板下方第1個(gè)平臺(tái)甲板或至少 1/4 型深處[6]。

根據(jù)以上要求，建立的模型范圍為：一是船長方向，選取前后2個(gè)水密艙壁作為邊界，分別為 FR8 和FR21 肋位艙壁；二是船寬方向，船中至右舷舷側(cè)；三是型深方向，主甲板至舭部折角線。

2.3 結(jié)構(gòu)模擬

計(jì)算中將甲板縱桁、強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨、加強(qiáng)圓筒等強(qiáng)構(gòu)件腹板、甲板板、舷側(cè)板用殼單元離散；將甲板縱桁、強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨等構(gòu)件面板用梁?jiǎn)卧x散；將甲板橫梁、舷側(cè)肋骨用梁?jiǎn)卧x散[7]。

模型采用 PATRAN 軟件建模，位移單位為 mm,應(yīng)力單位為 MPa。有限元模型見圖 3和圖 4。

圖3 交叉梁式加強(qiáng)方案有限元模型Fig.3Finite element model of cross girder scheme

圖4 圓筒式加強(qiáng)方案有限元模型Fig.4Finite element model of cylinder type scheme

3 載荷及工況

3.1 計(jì)算載荷

根據(jù)《規(guī)范》要求，計(jì)算中需要考慮吊機(jī)最大傾覆力矩、安全工作載荷和吊機(jī)自重3個(gè)方面載荷。

1）最大傾覆力矩

傾覆力矩系指吊機(jī)在安全載荷下作業(yè)，起重設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)連接處算得的最大彎矩，本文中液壓吊機(jī)最大彎矩為 245 kN·m。

2）安全工作載荷

安全工作載荷系指在任何規(guī)定的變幅長度范圍內(nèi)，起重機(jī)可起升的最大載荷。本文中液壓吊機(jī)安全工作載荷為3t。根據(jù)《規(guī)范》，對(duì)于近海作業(yè)的起重設(shè)備，附加于起重設(shè)備自重的 150% 安全工作載荷應(yīng)進(jìn)行校核，因此，計(jì)算中安全工作載荷取 4.5 t。

3）液壓吊機(jī)自重

本文研究的液壓吊機(jī)自重為 2.5 t。通過剛性約束單元 RBE2 將吊機(jī)基座面板中心與面板各節(jié)點(diǎn)耦合，將集中載荷和彎矩施加到基座面板上（見圖 5）。

圖5 吊機(jī)基座面板施加載荷Fig.5Load applied to crane base

3.2 計(jì)算工況

根據(jù)吊機(jī)使用工況，其對(duì)基座的作用載荷可分解為集中力和力矩，集中力方向?yàn)榇怪毕蛳?，力矩方向可?360° 范圍內(nèi)任意角度。本文以 45° 為間隔，以 X軸正向?yàn)?0°，設(shè)置8個(gè)工況進(jìn)行校核計(jì)算（見表 1）。表中 Mx，My 分別表示彎矩在 x，y 軸方向的分量。

表1 工況設(shè)置Tab.1Load conditions

3.3 邊界條件

模型兩端艙壁位置 FR8、FR21 肋位施加簡(jiǎn)支邊界條件，約束 x、y、z 方向線位移；模型下邊界（包括外板、肋骨及支柱）施加簡(jiǎn)支邊界條件，約束 x、y、z方向線位移；中縱剖面模型邊界施加簡(jiǎn)支邊界條件，約束 x、y、z 方向線位移（見圖 6）。

圖6 邊界條件Fig.6Boundary conditions of model

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 應(yīng)力衡準(zhǔn)

分析對(duì)象材料為普通鋼，屈服強(qiáng)度為 235 MPa，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，各構(gòu)件的許用應(yīng)力值見表 2。

4.2 交叉梁式加強(qiáng)方案計(jì)算結(jié)果

液壓吊機(jī)載荷作用下，交叉梁式甲板加強(qiáng)方案應(yīng)力結(jié)果見表 3。

表2 構(gòu)件許用應(yīng)力Tab.2Allowable stresses of structure

表3 交叉梁式加強(qiáng)方案最大應(yīng)力結(jié)果（MPa）Tab.3Max stress results of cross girder scheme（MPa）

由表3可見，板單元最大相當(dāng)應(yīng)力為219MPa，梁?jiǎn)卧畲笳龖?yīng)力為133MPa，對(duì)應(yīng)工況 1；梁?jiǎn)卧畲蠹羟袘?yīng)力為 98 MPa，對(duì)應(yīng)工況 3。各構(gòu)件最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，可見交叉梁式甲板加強(qiáng)方案可滿足規(guī)范強(qiáng)度要求，最大應(yīng)力云圖見圖 7～圖 8。

工況1中板單元最大應(yīng)力 219 MPa，出現(xiàn)在吊機(jī)基座肘板上，而甲板支撐結(jié)構(gòu)的最大相當(dāng)應(yīng)力為140MPa，出現(xiàn)在加強(qiáng)縱桁腹板上?；獍宄霈F(xiàn)高應(yīng)力的原因主要是甲板下方支撐結(jié)構(gòu)與基座機(jī)構(gòu)沒有很好的對(duì)應(yīng)，載荷沒能有效傳遞到甲板支撐結(jié)構(gòu)上。工況1中梁?jiǎn)卧畲笳龖?yīng)力出現(xiàn)在基座肘板下方的甲板橫梁上，對(duì)應(yīng)傾覆力矩方向的兩側(cè)肘板承受更大的拉壓載荷，通過肘板傳遞至其下方對(duì)應(yīng)的甲板橫梁上，甲板橫梁產(chǎn)生較大彎矩，是導(dǎo)致甲板橫梁正應(yīng)力較大的原因。工況3中梁?jiǎn)卧畲蠹羟袘?yīng)力出現(xiàn)在基座下方甲板縱桁腹板上，該工況傾覆力矩方向?qū)?yīng)的基座肘板集中載荷主要傳遞到甲板縱桁上，在甲板縱桁腹板上產(chǎn)生了較大的剪切應(yīng)力。

圖7 工況1板單元相當(dāng)應(yīng)力云圖（方案 1）Fig.7Shell stress distribution of case1(scheme 1)

圖8 工況3強(qiáng)構(gòu)件剪切應(yīng)力云圖（方案 1）Fig.8Web shear stress distribution of case3(scheme 1)

表4 圓筒式加強(qiáng)方案最大應(yīng)力結(jié)果 MPaTab.4Max stress results of cylinder type scheme

4.3 圓筒式加強(qiáng)方案計(jì)算結(jié)果

液壓吊機(jī)載荷作用下，圓筒式甲板加強(qiáng)方案應(yīng)力結(jié)果見表 4。

由表4可見，板單元最大相當(dāng)應(yīng)力為157MPa，梁?jiǎn)卧畲笳龖?yīng)力為166MPa，梁?jiǎn)卧畲蠹羟袘?yīng)力為84 MPa，均對(duì)應(yīng)工況 1。各構(gòu)件最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，圓筒式甲板加強(qiáng)方案可滿足規(guī)范強(qiáng)度要求，最大應(yīng)力云圖如圖 9～圖10所示。

工況1中板單元最大應(yīng)力157MPa，出現(xiàn)在甲板加強(qiáng)橫梁腹板上。吊機(jī)基座最大應(yīng)力為138MPa，出現(xiàn)

在基座肘板上。工況1梁?jiǎn)卧畲笳龖?yīng)力出現(xiàn)在加強(qiáng)橫梁面板上，位置在加強(qiáng)橫梁與圓筒面板連接處。由圓筒基座和吊機(jī)基座形成的一體化基座結(jié)構(gòu)，在傾覆力矩的作用下，出現(xiàn)傾斜趨勢(shì)，該趨勢(shì)主要由加強(qiáng)橫梁面板限制，因此在加強(qiáng)橫梁面板上產(chǎn)生較大的正應(yīng)力。工況1梁?jiǎn)卧畲蠹羟袘?yīng)力出現(xiàn)在加強(qiáng)圓筒附近加強(qiáng)橫梁腹板上，主要原因是加強(qiáng)圓筒是局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，最終還是通過加強(qiáng)橫梁和縱桁將剪切載荷傳遞到甲板支撐結(jié)構(gòu)上?？梢?，最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在甲板加強(qiáng)橫梁上合理。

4.4 兩種方案對(duì)比分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分別從應(yīng)力水平、載荷傳遞效果兩方面對(duì)比交叉梁式加強(qiáng)方案（方案 1）和圓筒式加強(qiáng)方案（方案 2）的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能。

1）應(yīng)力水平對(duì)比

相同載荷大小作用下，分別對(duì)比2種方案最大應(yīng)力、平均應(yīng)力大小及相差百分比（見表 5）。

由表5可知，在相同載荷作用下，相比交叉梁式加強(qiáng)方案，圓筒式方案有效降低了板單元相當(dāng)應(yīng)力和梁?jiǎn)卧羟袘?yīng)力。但梁?jiǎn)卧龖?yīng)力變大，分析原因，交叉梁式方案中梁?jiǎn)卧畲笳龖?yīng)力出現(xiàn)在甲板普通橫梁上，而圓筒式方案梁?jiǎn)卧畲笳龖?yīng)力出現(xiàn)在加強(qiáng)橫梁的面板上。從基座加強(qiáng)設(shè)計(jì)角度來講，相比普通構(gòu)件，讓加強(qiáng)構(gòu)件承受更大的局部載荷顯然更加合理。

2）載荷傳遞效果對(duì)比

與交叉梁式加強(qiáng)方案相比，圓筒式加強(qiáng)方案所采用的構(gòu)件尺寸相同。但從計(jì)算結(jié)果可以看出，相同的載荷作用下，交叉梁加強(qiáng)方案中最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊機(jī)基座上，而圓筒加強(qiáng)方案中最大應(yīng)力出現(xiàn)在甲板支撐結(jié)構(gòu)上。由此可見，圓筒式加強(qiáng)方案更好地實(shí)現(xiàn)了基座載荷向甲板支撐結(jié)構(gòu)的傳遞。

圖9 工況1板單元相當(dāng)應(yīng)力云圖（方案 2）Fig.9Shell stress distribution of case1(scheme 2)

圖10 工況1強(qiáng)構(gòu)件剪切應(yīng)力云圖（方案 2）Fig.10Web shear stress distribution of case1(scheme 2)

表5 兩種方案應(yīng)力水平對(duì)比Tab.5Stress level comparison of two schemes

5 結(jié) 語

對(duì)于船用小型液壓吊機(jī)，提出2種甲板結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案，根據(jù)中國船級(jí)社規(guī)范，分別對(duì)2種方案進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，得到了各個(gè)工況下基座及甲板支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值。從應(yīng)力結(jié)果可知，交叉梁和圓筒式基座加強(qiáng)方案結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足規(guī)范的要求。通過兩方案應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比，得出主要結(jié)論如下：

1）相同的構(gòu)件尺寸條件下，在所計(jì)算的各工況中，圓筒式加強(qiáng)方案最大應(yīng)力為166MPa，交叉梁式加強(qiáng)方案最大應(yīng)力219MPa，相比之下，圓筒式方案應(yīng)力峰值明顯減小。

2）交叉梁式加強(qiáng)方案最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊機(jī)基座結(jié)構(gòu)上，而圓筒式加強(qiáng)方案最大應(yīng)力出現(xiàn)在甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)上。可以看出，圓筒式加強(qiáng)方案更好地實(shí)現(xiàn)了基座載荷向甲板支撐結(jié)構(gòu)的傳遞。

3）通過本文計(jì)算分析，對(duì)于圓柱型式的吊機(jī)基座，在甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，建議選擇應(yīng)力水平更低、載荷傳遞效果更好的圓筒式加強(qiáng)方案進(jìn)行加強(qiáng)。

[1]謝大建. 系泊設(shè)備下船體支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核[J]. 船海工程, 2012, 41(3): 37–40. XIE Da-jian. Strength check method of supporting hull structures underneath towing and mooring fittings[J]. Ship & Ocean Engineering, 2012, 41(3): 37–40.

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Strength analysis of hydraulic crane hull strengthen structure

TAN Zhong-neng1, WANG Chao-bo1, ZHAO Teng2
(1. West Lake Ship Manufacturing Co., Ltd., Guangyuan 628313, China; 2. School of Shipping and Marine Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Based on marine hydraulic crane load requirements, two kinds of different scheme to strengthen the base structure have been proposed. The finite element model of crane base and hull strengthen structure was established. According to the CCS specifications, the base and strengthen structure are analyzed in direct calculation. The stress amplitude of two scheme structures were compared under various operating conditions. According to the results of the comparison and analysis, the recommended structure strengthen scheme was put forward. The analysis results can provide reference for marine crane base strengthen structure design.

hydraulic crane；strengthen structure；finite element method；specification check

U 661.43；U 664.43

A

1672 – 7619(2016)11 – 0138 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.011.029

2016 – 07 – 21；

2016 – 08 – 10

譚忠能(1964 – )，男，工程師，高級(jí)咨詢師，研究方向?yàn)榇霸O(shè)計(jì)與制造。