三種吊馬結構形式及力學性能比較研究

張 健,劉建峰,季建忠,尹 群

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院,江蘇 鎮江 212003;2.上海外高橋造船有限公司,上海 200137;3.揚州市地方海事局,江蘇 揚州 225009)

1 引言

吊馬是船舶建造過程中船體分段等結構物搬運、翻身、總組、搭載的必要構件,由于所吊對象一般為大型結構物,一旦發生危險必將造成嚴重后果,因此,保證吊馬在使用過程中的安全十分重要。由于吊馬在船廠應用范圍廣泛,使用數量巨大,吊馬結構形式的簡繁直接關系到吊馬的制造工藝性及用工量的大小,吊馬的單件自重關系到吊馬耗費鋼材的多少。在大量調研的基礎上,收集了目前國際上先進造船企業正在使用的吊馬相關資料,通過分析整理,從中、日、韓三國多家船廠中各選取一家具有代表性的吊馬設計標準,從結構形式、自重、力學性能三方面對所選吊馬進行比較研究,了解其各自的優缺點,取長補短,吸取經驗,為優化吊馬設計提供參考。

2 三種代表性吊馬結構形式概述

2.1 外高橋造船有限公司吊馬

外高橋造船有限公司目前為我國大型造船企業之一,其技術力量雄厚,造船模式先進。在吊馬使用方面,外高橋造船有限公司擁有一套完備的企業標準,具有多種吊馬型式,主要有 A 型、B型、C型、D型、E 型、F 型、H 型、I型、J型 、K 型等 ,每種型式的吊馬又有可以承受10～50t不同載荷的吊馬型號,如 A 型吊馬就有 10 t、15 t、20 t、25 t、30 t、40 t、50 t 7種型號,所有吊馬型號共有40余種類別,這些型號的吊馬各有特定明確的適用區域和使用范圍,但同時也具有種類繁多、復雜、難于批量制造等缺點。以下僅列舉幾種外高橋常用的吊馬型式,見圖1、圖2 、圖 3。

外高橋造船有限公司各類型式的吊馬中,一般起吊載荷為10t的吊馬吊孔周圍不安裝復板,起吊載荷為15t的吊馬,吊孔周圍要安裝單面復板,20t以上(包括20t)時,吊孔周圍加裝雙面復板,同時在吊馬兩側均加裝對稱的防傾肘板,安裝復板無疑會給吊馬加工增加很多工作量,同時增加吊馬自重。

2.2 日本船廠吊馬

日本川崎株式會社在日本和中國擁有多家船廠,川崎造船有限公司是日本規模較大的現代化造船公司,船廠完全采用日式造船流程、日式造船技術和管理方法,日本最新的造船技術在川崎船廠都會得到迅速的應用。所以,川崎船廠的技術水平能夠代表日本最高的造船水平。川崎船廠的吊馬結構形式只有兩種,即D型和T型,D型共有可以起吊2～50t不同載荷的11種型號的吊馬,T型吊馬共有可以起吊3～50t不同載荷的10種型號的吊馬。川崎船廠吊馬總的特點是結構形式簡潔,不加裝復板,類型少,通用性強,工藝性好,易于批量制造。D型吊馬一般應用在船體結構的外板上,T型吊馬一般應用在結構的側面的構造面或者骨材側面上。圖4及圖5為川崎船廠某噸位的D型及T型吊馬。

2.3 韓國船廠吊馬

韓國三湖船廠的吊馬分為A、B、C、D四種類型,四大類型吊馬按照承載能力的不同共有30種型號。A型吊馬中有可以承受5～70t不同載荷的12種型號,B型吊馬中有可以承受5～60t載荷的10種型號,C型吊馬中有5～60t的7種型號,D型有可以起吊20t載荷的一種型號。其中,A型及B型吊馬應用范圍較為廣泛,與外高橋船廠吊馬的某些類型有較多相似之處,吊馬的吊孔周圍也是按照噸位大小安裝單層或雙層復板進行局部加強,但是吊馬肘板的安裝位置和肘板的結構形式有所不同,韓國吊馬的肘板上一般開有較大減輕孔。起吊載荷為5t的吊馬兩側不安裝肘板,起吊載荷為10～60t的吊馬每側只安裝一塊肘板,形成非對稱結構形式,只有起吊載荷為70t的吊馬才在兩側各安裝兩塊肘板,這一點和外高橋吊馬肘板形式有所不同。圖6和圖7分別為應有范圍較廣的韓國A型及B型吊馬。

3 三種吊馬自重比較

由于吊馬在船廠應用范圍廣泛,使用數量多,因此,單件自重是衡量吊馬優劣的一個重要指標,自重較輕且性能良好的吊馬可以為船廠節約大量鋼材。具有代表性的三國的三家船廠正在使用的吊馬種類繁多,吊馬的適用區域各異,吊馬的結構形式也有較大差別。因此,對每一種吊馬的自重均進行比較不太可能,也沒有意義。為了增加可比性,本文從三個系列吊馬中各選取一種起吊載荷相同、型式類似、適用區域相同的吊馬進行質量比較。

以起吊載荷為50t的吊馬為例,分別選取外高橋船廠的A-50型、日本川崎船廠的D-50型和韓國三湖船廠的LA-50型吊馬進行比較研究。三種吊馬包括附屬結構(肘板)在內的自重分別列于下表中。

表1 三種50t吊馬自重比較

在三種吊馬中,韓國船廠吊馬最輕,日本川崎的吊馬最重,但是日本川崎吊馬結構形式簡單,吊孔周圍無復板,安裝時無肘板,裝卸比較方便,工藝性好,且使用次數較多。由于日本川崎D型吊馬主要適用于骨材或板上,D型吊馬一般不設肘板,而T型吊馬一般適用于構造側面,且T型吊馬長度較長,一般需設置防傾肘板。

4 額定載荷下吊馬應力計算

同樣以起吊載荷為50t的吊馬為例,分別選取外高橋船廠的A-50型、川崎船廠的D-50型和韓國三湖船廠的LA-50型吊馬為研究對象。利用MSC.Patran軟件建立1:1的有限元三維模型,并利用MSC.Nastran軟件進行有限元應力計算。

4.1 彈性Hertz接觸理論分析

起吊船舶分段時,吊馬與卸扣銷軸接觸,分段重力通過卸扣銷軸傳遞到吊馬孔內壁,因此,吊馬上受力情況符合接觸力學理論。接觸力學理論始見于1882年H.Hertz發表的《論彈性固體的接觸》經典論文。較為系統的闡述接觸力學理論及工程應用的著作是1985年由K.L.Johnson撰寫的《接觸力學》一書[1]。接觸力學以彈性變形為前提,且計算軸、孔接觸處應力分布時較為繁瑣,如圖8所示。

圖8 兩圓柱體接觸示意圖

在實際工程中,吊耳與吊軸之間的接觸遠超出彈性范圍而發生塑性變形,塑性變形下的結構應力計算可采用簡化分析方法。采用適當的簡化處理將實際接觸問題簡化為靜力學問題,只要處理得當,可以方便地利用有限元軟件MSC.Nastran進行計算,使問題大大簡化且具有較高的工程精度。經比較研究,采用簡化有限元分析方法與用Marc軟件按照接觸算法計算出的應力分布在接觸區域、非接觸區域具有較好的一致性,同時結構應力水平基本相當,說明選取合理的載荷分布、施加范圍,采用簡化有限元可以較為準確地計算出吊耳接觸應力分布[3]。有限元模型中用橢圓或拋物線模擬接觸載荷垂向分量分布,作用范圍根據吊耳孔徑與吊軸直徑的大小確定(載荷作用范圍可取左右對稱各30°～45°);吊耳結構在吊孔區域采用細化有限元模型,載荷以節點力施加在相應的作用區域內,且保證每個節點上載荷積分后所得之和與所吊載荷相等。

4.2 邊界條件及載荷

4.3 計算結果及分析

對以上三種吊馬分別利用MSC.Nastran軟件[2]進行有限元計算,圖12、圖13及圖14分別為外高橋船廠A-50型、日本川崎船廠D-50型、韓國三湖船廠LA-50型吊馬應力云圖,計算結果見表2。

從應力分布云圖及表2中可以看出,日本川崎吊馬上的應力最小,三種吊馬的最大應力均遠遠低于吊馬所用材料的許用應力,但應力在吊馬上的分布位置有所不同,外高橋吊馬和日本川崎吊馬最大應力均發生在直接施加載荷的吊孔周圍,而韓國船廠吊馬最大應力發生在離吊孔有一定距離的吊馬板上。

表2 相同載荷下三種吊馬最大應力情況比較

此外,為了從多個角度研究三種吊馬性能的優劣,引進最大應力質量比的概念,規定在某種載荷條件下,吊馬的最大應力值比上該吊馬總質量,即α=,以此來表示在現有載荷條件下吊馬的單位質量上所承受的應力值,體現了該型吊馬單位質量鋼材在承擔應力方面的利用率。計算結果表明,韓國船廠吊馬具有最高的應力質量比,達到3.35,材料的利用率最高;在起吊質量相同情況下,外高橋船廠吊馬與三湖船廠吊馬的最大應力相當,但是外高橋船廠吊馬質量遠重于韓國三湖船廠吊馬;日本川崎船廠的應力質量比最低,為1.31,日本川崎船廠的吊馬安全裕度最大,偏于安全。

5 結論

經對三家船廠吊馬的結構形式、自重、有限元應力計算結果幾方面進行研究,得出如下結論。

(1)三種吊馬在額定載荷作用下產生的應力均小于材料的許用應力,完全達到使用要求。

(2)在相同載荷作用下,三種吊馬的最大應力相差不大,但由于各吊馬的自重不同,所以應力質量比有較大差別,其中,韓國船廠吊馬具有最大的應力質量比,材料的利用率最高。

(3)三種吊馬各有其優缺點,其中,日本川崎船廠的吊馬結構簡單,易于制造及拆裝,能夠較少地破壞涂層,減少后期工作量,工藝性能最好,但是由于該型吊馬不設肘板,所以吊馬本體質量較重,用鋼量較大;外高橋船廠吊馬品種繁多,與韓國三湖船廠吊馬相比,三湖船廠的吊馬輕,結構形式相對簡單,且具有較高的應力質量比,是一種較優的吊馬結構形式。

1 徐秉業,羅學富、劉信聲.接觸力學.北京:高等教育出版社,1992.

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