徐逸舟，陳 琴

(1.鎮(zhèn)江市地方海事局，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.鎮(zhèn)江技師學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

起重船是一種用于水上起重作業(yè)的工程船舶的總稱，又常被稱為浮吊、浮式起重機(jī)。目前常見的起重船多為非自航式，也有在役的自航式起重船。起重船按照起重設(shè)備區(qū)分主要有旋轉(zhuǎn)式和固定式。自航旋轉(zhuǎn)式起重船用于調(diào)遷頻繁的工地，一般配有副鉤，吊桿可以變幅。固定式起重船一般用于集裝箱等重大件貨物的調(diào)配，配有副鉤，其起升高度與工作幅度依作業(yè)需要而定[1]。按照起重臂工作幅度區(qū)分，起重船可以分為360°回轉(zhuǎn)與固定方向兩大類。后者起重臂方向的調(diào)整主要有拖輪拖帶轉(zhuǎn)向和船向各個方向拋錨兩種方式，通過錨鏈向各個方向牽拉，從而實(shí)現(xiàn)重物的回轉(zhuǎn)。360°回轉(zhuǎn)起重船結(jié)構(gòu)和起重臂機(jī)械構(gòu)造非常復(fù)雜，而且起重能力相比較小，多用于水上起重和吊裝作業(yè)，一般為非自航。通常情況下，起重作業(yè)頻繁的起重船為自航式，其起重機(jī)可旋轉(zhuǎn)，吊重特大件時，可用兩個起重船合并作業(yè)。

起重機(jī)按其占用空間面積分為小型、中型、大型、巨型四類，其中大型起重船和巨型起重船的起重臂可以調(diào)動30 000 kN以上的重物達(dá)100 m以上，工作效率高，但成本高、造價昂貴，因此工作一段時間后的檢修、維護(hù)價格也非常高。

為了保證已經(jīng)服役多年的13 000 kN起重船的安全性能，本文利用Patran/Nastran軟件對其進(jìn)行有限元分析，獲得起重船扒桿角度為12°、45°、70°工況條件下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力，并通過對比分析不同工況下最大應(yīng)力和許用應(yīng)力，判斷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，從而評判該起重船能否繼續(xù)服役。

1 起重船概況及實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 起重船概況

本文研究對象為已經(jīng)服役多年的13 000 kN起重船，根據(jù)圖紙通過有限元軟件Patran進(jìn)行建模。

1.2 方案設(shè)計(jì)

對13 000 kN起重船的起重臂架進(jìn)行有限元模型的建立。該起重臂架為兩個箱型結(jié)構(gòu)組成，箱型結(jié)構(gòu)內(nèi)部有縱向骨材及橫向骨材；吊鉤分為主勾與副勾。有限元分析計(jì)算可以求得最大應(yīng)力，在最大應(yīng)力滿足許用應(yīng)力的基礎(chǔ)上，可以初步確定該起重船是否可以繼續(xù)服役。

2 有限元分析

2.1 起重臂架有限元分析模型

起重臂架分為5部分：兩端為箱形框架結(jié)構(gòu)，腹板、面板和隔板均采用4節(jié)點(diǎn)2D平面單元，T型材采用1D梁單元。有限元模型見圖1。有限元模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為52 646個，單元數(shù)目為59 780個。模型材料：彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7.85 t/m3。

由于起重臂架較長，為了方便在應(yīng)力云圖上截取時能看清其最大應(yīng)力所在位置，將起重臂架分為5個部分：1-1、1-2、1-3、1-4和1-5。起重臂架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的劃分見圖2。

圖1 有限元模型

圖2 起重臂架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的劃分示意圖

2.2 邊界條件

整個計(jì)算模型的邊界條件如下：

(1)起重臂架根部邊界條件見圖3。軸套內(nèi)圈前部與起重臂架中面相交線上節(jié)點(diǎn)沿X方向加速度uX=0，沿Z方向加速度wZ=0，沿Y方向加速度vY=0。

圖3 頂部約束條件示意圖

(2)起重臂架頂部邊界條件見圖4。由于缺少頂部吊環(huán)圖，改用一個面的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束，會有少量的應(yīng)力集中，不予考慮[2]。

圖4 頂部約束條件示意圖

2.3 計(jì)算工況

2.3.1 工況1

工況1為起重機(jī)過橋(起重機(jī)臂桿放到傾角為12°位置，不考慮船舶橫傾、縱傾及風(fēng)等因素)。本工況采用設(shè)計(jì)載荷，過橋工況是起重船必須要考慮的工況。

2.3.2 工況2

工況2為起重機(jī)處于放置狀態(tài)(起重臂架角度為45°，不考慮船舶橫傾、縱傾及風(fēng)等因素)。起重船在吊裝過程中可能會處于放置狀態(tài)，本文取起重臂架處于最危險45°的情況，基本可以涵蓋所有放置狀態(tài)。

2.3.3 工況3

工況3為起重機(jī)處于工作狀態(tài)(起重臂架角度為70°，不考慮船舶橫傾、縱傾及風(fēng)等因素)[3] 。本文研究的起重船最大起吊角度為70°，采用最極限吊角70°進(jìn)行分析。

2.4 許用應(yīng)力

起重結(jié)構(gòu)件許用應(yīng)力[σ]按下式計(jì)算：

式中:σs為鋼材的屈服強(qiáng)度，σs=345 MPa(材質(zhì)為Q345B)；β為系數(shù)，根據(jù)《船舶及海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》(2007)(簡稱《起重規(guī)范》),鋼材的屈服比用插入法計(jì)算得β=1.030 6；n為安全系數(shù)，根據(jù)實(shí)際工況定義按《起重規(guī)范》第2章表2.3.16.1選取，見表1。

許用應(yīng)力[σ]的計(jì)算值見表1。

表1 安全系數(shù)及許用應(yīng)力值

2.5 典型狀況下的結(jié)果匯總

2.5.1 計(jì)算結(jié)果匯總表

起重臂架分為外部板結(jié)構(gòu)和內(nèi)部加強(qiáng)筋。為了便于分析，將起重臂架分為外部板結(jié)構(gòu)和內(nèi)部加強(qiáng)筋。編號為1-1及1-1內(nèi)，其余分段類似。典型狀況下的最大應(yīng)力值見表2。在1-5分段內(nèi)，由于圖紙的不完整以及載荷施加原因造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，在實(shí)際工作時不存在如此集中的應(yīng)力，不予考慮。

表2 典型狀況下的最大應(yīng)力值

2.5.2 工況1應(yīng)力云圖

通過MSC.Nastran的計(jì)算分析得到應(yīng)力云圖，本文選取典型的構(gòu)件進(jìn)行分析。桿角度12°構(gòu)件1-1和構(gòu)件1-2以及構(gòu)件1-5部分應(yīng)力圖見圖5～圖7。從圖中可以清楚看出，最大應(yīng)力以及最大應(yīng)力的部位，即圖中的圓圈位置，為補(bǔ)強(qiáng)和檢修提供了比較切實(shí)可行的依據(jù)。

圖5 工況1構(gòu)件1-1應(yīng)力圖

圖6 工況1構(gòu)件1-2應(yīng)力圖

圖7 工況1構(gòu)件1-5應(yīng)力圖

2.5.3 工況2應(yīng)力云圖

起重臂架角度45°構(gòu)件1-1應(yīng)力圖見圖8。由于應(yīng)力云圖和工況1類似，本文選擇構(gòu)件1-1進(jìn)行分析，得到的應(yīng)力較大處和工況1類似，最大應(yīng)力為圖中圓圈位置。

圖8 工況2構(gòu)件1-1應(yīng)力圖 2.5.4 工況3應(yīng)力云圖

起重臂架角度70°構(gòu)件1-1應(yīng)力圖見圖9。和工況2類似，應(yīng)力較大處基本處于同一位置，最大應(yīng)力為圖中圓圈位置，所以該起重船在之后的檢修以及加強(qiáng)位置可以考慮本文得到的應(yīng)力較大的地方。

圖9 工況3構(gòu)件1-1應(yīng)力圖

3 結(jié)論

從計(jì)算結(jié)果匯總表中可知：

(1)1-5區(qū)域應(yīng)力較大，區(qū)域都是在滑輪與起重臂架箱體的連接處, 這是由于加載產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象。而實(shí)際結(jié)構(gòu)中考慮到了局部加強(qiáng)問題，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

(2)由應(yīng)力圖可知，中間部分的應(yīng)力主要在40.1～157 MPa之間。1-1和1-2構(gòu)件上部板材應(yīng)力較大，而1-3和1-4構(gòu)件下部板材應(yīng)力較大，但都在許用應(yīng)力以內(nèi)。

(3)內(nèi)部構(gòu)件的強(qiáng)度滿足要求。得到應(yīng)力較大處可以進(jìn)行相應(yīng)的加強(qiáng)，從而使該船繼續(xù)服役。