劉 峻 賈攀攀

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

0 引言

岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)岸橋）的整機(jī)運(yùn)輸能大幅節(jié)約其制造成本。因海運(yùn)工況的復(fù)雜性、岸橋結(jié)構(gòu)過(guò)于高大的特點(diǎn)，岸橋設(shè)計(jì)階段對(duì)整機(jī)運(yùn)輸充分考慮會(huì)極大增加岸橋的質(zhì)量和制造成本，在整機(jī)海運(yùn)階段針對(duì)特定海況進(jìn)行加強(qiáng)，是保證運(yùn)輸安全的明智選擇。對(duì)海運(yùn)階段的岸橋綁扎的方式有：用鋼圓管等構(gòu)件作剛性加強(qiáng)和用鋼拉索進(jìn)行柔性加強(qiáng)[1]。剛性加強(qiáng)的缺點(diǎn)有加固鋼管自身質(zhì)量大、長(zhǎng)度長(zhǎng)，作業(yè)要?jiǎng)佑么笮推?chē)起重機(jī)等起重設(shè)備，綁扎件不能重復(fù)利用，需要在高空進(jìn)行焊接作業(yè)等，成本較大。而采用可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，可重復(fù)使用的柔性鋼拉索綁扎方法（見(jiàn)圖1），能有效減少或避免以上缺點(diǎn)。為保證岸橋的整機(jī)運(yùn)輸安全，需對(duì)岸橋整機(jī)綁扎的鋼拉索進(jìn)行壽命評(píng)估，以適時(shí)對(duì)其進(jìn)行淘汰和更新。

圖1 門(mén)框鋼拉索綁扎

為準(zhǔn)確評(píng)估鋼拉索壽命，本文選取某航線(xiàn)的2臺(tái)岸橋運(yùn)輸為分析對(duì)象，鋼拉索壽命評(píng)估方法為：1）從全球波浪數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取波浪和風(fēng)力數(shù)據(jù)作為環(huán)境參數(shù)；2）根據(jù)該參數(shù)結(jié)合船舶運(yùn)動(dòng)計(jì)算出岸橋整體的運(yùn)動(dòng)加速度；3）以實(shí)際裝載為依據(jù)建立計(jì)算模型，通過(guò)有限元計(jì)算獲取工況下的應(yīng)力結(jié)果；4）結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求得到該航次的疲勞損傷系數(shù)，并將該系數(shù)計(jì)入該拉索的累計(jì)損傷系數(shù)中，對(duì)比相關(guān)規(guī)范要求，當(dāng)該累計(jì)損傷系數(shù)超過(guò)許用值時(shí)，將該拉索進(jìn)行淘汰。

2 估算橫搖次數(shù)

2.1 波浪數(shù)據(jù)提取

根據(jù)實(shí)際航行線(xiàn)路，繪制該航次航線(xiàn)圖，如圖2所示。航線(xiàn)確定后，明確離開(kāi)港口日期、航速，數(shù)據(jù)庫(kù)將根據(jù)內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件將各航區(qū)行駛里程、有義報(bào)告、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行提取[2]。表1為該航線(xiàn)1月份出發(fā)的數(shù)據(jù)。

表1 單航次經(jīng)過(guò)海區(qū)時(shí)環(huán)境參數(shù)

圖2 波浪數(shù)據(jù)庫(kù)中航次航線(xiàn)繪制

2.2 航次橫搖次數(shù)計(jì)算

船舶橫搖周期是船舶裝載后的固有屬性，與船體結(jié)構(gòu)、貨物裝載情況、船舶壓載等有關(guān)。該周期的計(jì)算采用軟件得到，本次計(jì)算實(shí)例的橫搖周期為12 s。根據(jù)航速和橫搖周期有計(jì)算橫搖次數(shù)（見(jiàn)表2）。有義波高取區(qū)間上限，如有意報(bào)告在0～1 m區(qū)間的，取1進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于大于6 m有義波高的浪，采取人為規(guī)避的措施。

表2 對(duì)單航次環(huán)境參數(shù)的統(tǒng)計(jì)及循環(huán)次數(shù)計(jì)算

3 計(jì)算拉索應(yīng)力

拉索應(yīng)力循環(huán)極值的影響因素較多，包括目的地、起航時(shí)間（月份）、船舶、貨物情況、裝載情況等。計(jì)算模型的簡(jiǎn)化需對(duì)以上因素進(jìn)行梳理，其中目的地、起航時(shí)間（月份）、船舶、裝載情況的影響最終都轉(zhuǎn)化為加速度載荷，貨物載荷的影響需與綁扎鋼拉索共同建模進(jìn)行考慮。本文對(duì)示例到岸碼頭岸橋進(jìn)行了詳細(xì)的建模，并利用水動(dòng)力軟件計(jì)算了該配載狀態(tài)在不同有義波高海況下的加速度載荷，并根據(jù)該加速度載荷計(jì)算出不同有義波高下的鋼拉索極限應(yīng)力。

3.1 模型

該工程仿真中采用了Beam 188、Link 180、MPC 184、Mass 21等多種單元結(jié)合的建模方式，其中Link180單元用于模擬鋼拉索單元（僅受拉不受壓）[3，4]。岸橋整機(jī)（含鋼拉索）模型如圖3所示

圖3 岸橋整機(jī)（含鋼拉索）模型

3.2 工況設(shè)計(jì)

本文以有義波高為4 m時(shí)，加速度荷載為例進(jìn)行說(shuō)明，如表3所示。在表3中，H為距離甲板面高度。工況設(shè)計(jì)如表4所示。

表3 波高4 m時(shí)環(huán)境參數(shù)產(chǎn)生的加速度荷載

表4 工況設(shè)計(jì)

在表4中，G為重力，R、P、V分別為由橫搖、縱搖、垂蕩引起的加速度載荷。

3.3 應(yīng)力結(jié)果（取最大工況）

將表4中6種工況的加速度值分別加載，選取其中的最大值作為該有義波高下的鋼絲繩周期循環(huán)的應(yīng)力幅值。鋼拉索計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表5。

表5 鋼拉索計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)匯總

4 疲勞壽命計(jì)算方法

以國(guó)際焊接學(xué)會(huì)IIW《Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components》(2015)對(duì)母材的疲勞壽命評(píng)估方法為依據(jù)。計(jì)算公式為

式中：C為常值，σ為應(yīng)力幅值，m為指數(shù)系數(shù)，N為指定應(yīng)力下S-N曲線(xiàn)上對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)[5]。各有義波高疲勞損傷比計(jì)算如表6所示。

表6 各有義波高疲勞損傷比計(jì)算

計(jì)算出航次疲勞累計(jì)損傷系數(shù)后，計(jì)入如表7所示的該拉索壽命損傷累計(jì)表格。

表7 某編號(hào)鋼拉索疲勞損傷比記錄

根據(jù)校核標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)某航次拉索疲勞損傷系數(shù)計(jì)入時(shí)，累計(jì)損傷比Dr＞ 0.5，則該編號(hào)拉索即歸做報(bào)廢處理。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果有如下結(jié)論：1)有義波高4 m以下浪況對(duì)鋼絲繩壽命幾乎沒(méi)有影響；2)惡劣海況，特別是有義波高6 m以上浪況對(duì)鋼絲繩壽命影響極大，會(huì)大幅降低拉索壽命；3)對(duì)于有義波高在5 m以上的運(yùn)輸航次需針對(duì)該航次計(jì)算疲勞損傷比并計(jì)入累計(jì)損傷比表格。

為保證海運(yùn)整機(jī)的安全性，重復(fù)利用綁扎材料安全性的評(píng)估必須納入規(guī)范管理，而規(guī)范化的管理需結(jié)合技術(shù)、實(shí)際使用等各方面。本文對(duì)柔性拉索疲勞壽命的評(píng)估方法為該類(lèi)工裝的使用壽命進(jìn)行了探索，為工程人員提供借鑒。