王初龍，向小斌，池建輝，董崇東

（上海中遠船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

港內(nèi)機動工作船吊機基座改裝設(shè)計強度分析

王初龍，向小斌，池建輝，董崇東

（上海中遠船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

文章對某港內(nèi)機動工作船吊機基座改裝設(shè)計后的結(jié)構(gòu)強度進行了有限元分析，簡單描述了有限元分析模型的建立以及邊界條件的設(shè)置，重點介紹了載荷的計算和工況的選取，并對計算結(jié)果進行了分析。

港內(nèi)機動工作船；吊機基座；結(jié)構(gòu)強度；有限元分析

0 引言

港內(nèi)機動工作船是造修船企業(yè)常見的生產(chǎn)輔助船，主要為生產(chǎn)活動提供物料等的吊裝和運輸任務(wù)。隨著現(xiàn)代造船業(yè)的發(fā)展，船舶噸位越來越大，而目前使用的港內(nèi)機動工作船往往已服役較長時間，其吊裝半徑和起吊高度有限?；诖?，有必要對吊機進行改裝設(shè)計以滿足生產(chǎn)要求。對吊機改裝后，涉及到結(jié)構(gòu)強度和船舶穩(wěn)性等方面的要求，因此需要重新進行評估。

本文根據(jù)中國船級社《船舶與海上設(shè)施起重規(guī)范（2007）》[1]和《內(nèi)河船舶入級規(guī)范（2011）》[2]的有關(guān)要求，采用通用有限元分析軟件MSC.Patran&Nastran[3]對某港內(nèi)機動工作船吊機基座加高改裝后進行了結(jié)構(gòu)屈服強度分析。

1 概況

本船起重機位于船中前部，根據(jù)生產(chǎn)要求，需將吊機整體抬高8 m?？紤]到加高以后，各載荷工況下基座根部將存在較大的彎矩。因此，需對基座根部進行有效的加強保護。但同時應(yīng)避免加強做得太高而阻礙駕駛視線。本船吊機加高后的側(cè)視圖如圖1所示。本船吊機的主要參數(shù)為：吊機總重為25 t，重心靠近駕駛室一側(cè)0.35 m；設(shè)計起重載荷為5 t；起重臂系統(tǒng)重3.44 t，吊臂長22 m，重心靠近吊臂中心；起重時最大水平力為3.2 t；設(shè)計動載系數(shù)為1.08。

2 有限元模型

2.1 模型的建立

根據(jù)規(guī)范要求，采用局部立體結(jié)構(gòu)模型時，以設(shè)備有效作用平面矩形（a×b）形心為中心，向四周分別擴展至少一倍的該矩形相對應(yīng)的長、寬距離（3a×3b）。垂向從基座底面擴展至甲板之下的第一個平臺甲板或至少D/4處（D為型深）。如按上述方法框取的模型邊界上未設(shè)置結(jié)構(gòu)的主要支撐構(gòu)件，則模型應(yīng)再延伸至邊界落在結(jié)構(gòu)的主要支撐構(gòu)件上。根據(jù)以上原則，本文模型范圍為吊機基座本身以及基座下方整個甲板室。

總體坐標系取右手直角坐標系，其中，x軸沿船長方向，向艏為正；y軸沿船寬方向，左舷為正；z軸沿型深方向，向上為正。

考慮到局部分析且該區(qū)域應(yīng)力較高，本模型網(wǎng)格板單元盡量采用正方形，網(wǎng)格大小取1/5骨材間距，為110 mm×110 mm，各構(gòu)件適用單元類型如下：

1）板單元：基座筒體、甲板、艙壁、肘板、桁材的腹板；

2）梁單元：甲板骨材、扶強材、桁材的面板。

由于吊機本身不進行模擬，因此在基座頂端，需采用多點約束單元（MPC）來傳遞載荷。

有限元模型如圖2所示。

2.2 邊界條件

甲板室下端邊界處采用簡支，即：δx=δy=δz=0。

2.3 材料屬性及力學(xué)性能

本模型中船體結(jié)構(gòu)以及基座中所有板材均為Q235普通鋼，其主要屬性及力學(xué)性能參數(shù)如表 1所示。

表1 材料屬性及力學(xué)性能

在實際建模時，質(zhì)量密度放大 1.1倍，即：8.635×10-6kg/mm3。

2.4 載荷及工況

根據(jù)本吊機實際使用情況，并結(jié)合《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》要求，需對下面三種情況下的工況進行校核：

1）工況1：吊機處于無風(fēng)狀態(tài)，應(yīng)考慮的載荷包括：

（1）自重載荷，以A表示；

（2）（起升載荷+船舶傾斜（橫傾與縱傾）所產(chǎn)生的起升載荷水平分力）×起升系數(shù)φh，以B表示；

（3）其他最不利的水平力（通常由回轉(zhuǎn)加速度產(chǎn)生），以C表示；

（4）由船舶傾斜（橫傾與縱傾）產(chǎn)生的自重載荷水平分力，以D表示。

組合載荷：[A+B+C+D]×作業(yè)系數(shù)φd

2）工況2：吊機處于有風(fēng)狀態(tài)，應(yīng)考慮的載荷包括工況1中的組合載荷，并計及最不利的風(fēng)載荷。

3）工況3：吊機處于放置狀態(tài)，應(yīng)考慮的載荷包括船舶傾斜、船舶運動所產(chǎn)生的力和風(fēng)的作用力。

各項載荷計算如下：

1）起升載荷：吊重5 t和起重臂系統(tǒng)3.44 t，5+3.44=8.44 (t)；

2）起升系數(shù)：起升系數(shù)φh=1+CV，其中C取0.3，V為起升速度，根據(jù)設(shè)備資料，最快起升速度為12 m/min=0.2 m/s，則φh=1+CV=1+0.3×0.2=1.06，小于規(guī)范要求的1.10，故取起升系數(shù)為1.10；

3）動載系數(shù)：對于工作狀態(tài)，起升載荷還需考慮一定的動載系數(shù)，根據(jù)原有的設(shè)備資料，取1.08。

對于起升載荷，其總系數(shù)為：1.10×1.08=1.188。

按規(guī)范要求，本吊機考慮船舶橫傾 5°和縱傾2°，因此在考慮起升系數(shù)及動載系數(shù)后各傾斜狀態(tài)下的起升載荷垂直分力、水平分力及由垂直分力引起的彎矩計算值如表2所示。

表2 起升載荷計算表

2.4.1 自重載荷及水平分量

重力加速度g為?9.81 m/s2。

自重載荷為不包括起重載荷中的起重設(shè)備部件質(zhì)量為：25－3.44=21.56 (t)。

重心位置為：(25×0.35-3.44×11)/21.56=?1.35 (m)，即重心在吊臂相對一側(cè)。

則自重載荷在船舶傾斜下的垂直分力、水平分力及由垂直分力引起的彎矩計算值如表3所示。

表3 自重載荷計算表（吊機）

筒體加高后的重量約為6.5 t。在實際船舶傾斜時其垂向分量有所減小，但在有限元計算中，系統(tǒng)施加慣性載荷，筒體一直處于正浮狀態(tài)，此時垂向載荷比實際值要略大，偏于安全。因此，只計算筒體因傾斜而產(chǎn)生的水平分力，并將水平分力施加在基座頂部MPC處。計算值如表4所示。

表4 自重載荷計算表（基座筒體）

2.4.2 最不利水平力

由回轉(zhuǎn)加速度產(chǎn)生的最大水平力取原資料中給定的3.2×9 810=31 392 (N)，并認為與吊臂垂直。為保守起見，此水平力被認為作用于吊臂端部，力臂為22 m。此時引起的回轉(zhuǎn)力矩為31 392×22=690 624 (N·m)；并考慮到起重臂最大升幅角度為78°，此時吊幅半徑為6 m，則垂向最大力臂為6×tan(78°)=28.23 (m)，故由水平力引起的側(cè)向彎矩為：31 392×28.23=886 196 (N·m)。

2.4.3 風(fēng)載荷

吊機及筒體側(cè)面受風(fēng)面積為48.63 m2；正面受風(fēng)面積（考慮吊臂升至最高）為33.57 m2；吊物受風(fēng)面積根據(jù)穩(wěn)性計算報告取6.85 m2。保守起見，無論吊機及吊物側(cè)面受風(fēng)還是正面受風(fēng)，都取兩者之和。

風(fēng)壓q=0.613Vw2，其中，Vw為風(fēng)速，工作時取20 m/s，放置狀態(tài)下取55 m/s。則作業(yè)工況和放置工況下的風(fēng)載荷計算見表5。

表5 風(fēng)載荷計算表

2.4.4 作業(yè)系數(shù)

對于工作狀態(tài)，需考慮一定的作業(yè)系數(shù)，根據(jù)規(guī)范，取1.05。

2.4.5 船舶運動載荷

根據(jù)規(guī)范要求，船舶運動載荷需考慮下面兩種情況的組合力：

1）垂直于甲板的加速度為±1.0g，前后方向平行于甲板的加速度為±0.5g，靜橫傾30°，風(fēng)速55 m/s，作用于前后方向；

2）垂直于甲板的加速度為±1.0 g，橫向平行于甲板的加速度為±0.5 g，靜橫傾30°，風(fēng)速55 m/s，作用于橫向。

考慮到垂向加速度為+1.0 g時，將與重力加速度抵消，對本次分析中的筒體、基座及反面加強結(jié)構(gòu)有利，因此在本次分析中該情況忽略不計。

在放置狀態(tài)時，起重臂朝向船尾，此時考慮各加速度的慣性力及引起的力矩計算見表6和表7。

表6 慣性載荷計算表（吊機整體，包括起重臂）

2.4.6 工況組合

針對前文所述的工況1、工況2和工況3，對于不同的載荷朝向及吊臂朝向，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，因此對應(yīng)每個工況分別設(shè)置如表8～表10所示的若干子工況進行分析。

其中，方位角以朝船首方向為0°，逆時針為正；正面受風(fēng)時的風(fēng)載荷在作業(yè)工況時沿起重臂方向。

表7 慣性載荷計算表（筒體）

3 計算結(jié)果及分析

3.1 許用應(yīng)力

根據(jù)規(guī)范要求，各構(gòu)件的屈服強度許用應(yīng)力的計算公式為：[σ]=σs/n。式中，σs為材料屈服強度，MPa；n為安全系數(shù)。各工況的許用應(yīng)力見表11。

表8 工況1對應(yīng)的子工況

表9 工況2對應(yīng)的子工況

表10 工況3對應(yīng)子工況

表11 許用應(yīng)力

3.2 計算結(jié)果及分析

經(jīng)計算整理，各工況下基座及船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果匯總?cè)绫?2所示。各工況的應(yīng)力云圖見圖3～圖12。

表12 各工況最大應(yīng)力匯總（單位：MPa）

1）從應(yīng)力結(jié)果可以看出，船體結(jié)構(gòu)和基座均滿足規(guī)范對屈服強度的要求。

2）對于工況1和工況2，板單元最大應(yīng)力出現(xiàn)在基座正下方與艙壁連接處的甲板室強橫梁上；而梁單元最大應(yīng)力出現(xiàn)在基座正下方與甲板室縱桁相連接的筒體扶強材上。這兩處高應(yīng)力區(qū)域均是由于未設(shè)置肘板過渡而引起的?？紤]到在工程實際中，應(yīng)當最大程度地減少火工作業(yè)，該兩處雖然應(yīng)力較高，但仍滿足強度要求，故可以不設(shè)肘板。

3）對于工況3，板單元應(yīng)力最大值出現(xiàn)在基座肘板面板處，且受壓為主，因此，肘板的面板厚度不能太薄以致屈曲，在此次改裝設(shè)計中取20 mm，滿足要求；最大梁單元應(yīng)力出現(xiàn)在與肘板相應(yīng)的筒體扶強材上，可見在基座肘板反面增加環(huán)形強框是非常有必要的。

4 結(jié)論

根據(jù)規(guī)范對改裝加高后的機動工作船基座及其支撐結(jié)構(gòu)進行有限元強度分析，得到了工作及放置工況下的應(yīng)力，由結(jié)果可知，基座本身和支撐結(jié)構(gòu)均能滿足強度要求，并通過應(yīng)力云圖對各工況下高應(yīng)力區(qū)域進行了分析。

[1] 劉兵山, 黃聰. Patran從入門到精通[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2003.

[2] 中國船級社. 船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2007.

[3] 中國船級社. 內(nèi)河船舶建造與入級規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2011.

中國船級社檢驗的首個移動式試采平臺成功交付

近日，由中國船級社（CCS）獨立進行檢驗的海洋石油162在煙臺中集來福士舉行了交船儀式。海洋石油162是中海油能源發(fā)展有限公司的首個移動式試采平臺，具備試采、油氣分離、儲存和外輸?shù)裙δ?，是CCS首次為國內(nèi)移動平臺授予CCS生產(chǎn)測試平臺（Production Testing Unit）和油氣水處理系統(tǒng)（Process）附加標志，其成功交付不僅彌補了中海油能源公司在這一技術(shù)領(lǐng)域的空白，也為海洋石油開發(fā)開創(chuàng)了新思路。

海洋石油162為四樁腿自升式試采、井口作業(yè)一體化平臺。平臺總長81.53 m，總寬37.73 m，作業(yè)水深可達40 m，污油水最大艙容為3 055 m3，井口作業(yè)設(shè)備最大提升能力為1 580 kN。本項目采用了“勘探+試采+開發(fā)”勘探開發(fā)一體化的模式，對推動海洋石油邊際油田開發(fā)具有重要意義。

海洋石油162的成功檢驗進一步增強了CCS海工檢驗的服務(wù)能力，CCS在海工領(lǐng)域不僅可以提供法定、入級、第三方等傳統(tǒng)服務(wù)，更可以根據(jù)客戶需求為新型海工設(shè)備提供個性化的檢驗服務(wù)。

來源：中國船級社

Finite Element Analysis of Strength for Crane Pedestal Foundation Conversion Design of Harbor Maneuvering Ship

Wang Chulong, Xiang Xiaobin, Chi Jianhui, Dong Chongdong

(COSCO Shanghai Shipyard Co., Ltd., Shanghai 200231, China)

The finite element analysis of structural strength for crane pedestal foundation conversion design of harbor maneuvering ship is done in the paper. It also briefly describes the finite element analysis model and the set of boundary conditions. The paper highlights the calculation of the loads and the selection of conditions. The results are analyzed.

harbor maneuvering ship; crane pedestal foundation; structural strength; finite element analysis

U663.7

A

10.14141/j.31-1981.2017.02.010

王初龍（1985—），男，碩士，助理工程師，研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析。