波浪補償起重機基座加強結構優化設計

周 博

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

0 引 言

某型船的波浪補償起重機是對船舶因風浪產生的上下位移具有補償功能的作用，主要用于船舶間的貨物補給。本機適用于3級和3級以下海況的裝卸作業。起重機主體結構主要分為底座、塔身和吊臂三大部分。底座為一圓筒體，安裝在甲板的連接基礎上。波浪補償起重機作為該型船重要的甲板起重設備，在工作時承受較大的局部載荷，并將此載荷通過基座傳至甲板加強結構。因此，對波浪補償起重機基座及其相連結構以及甲板加強結構進行有限元直接計算，對保證船用設備及船體結構安全有重要意義。［1］

1 波浪補償起重機基座加強結構

1.1 加強結構設計

為確保該船圓滿完成補給任務，對于波浪補償起重機，設計中采用兩類結構加強形式：第一類為加強形式A（圖1），主要包括波浪補償起重機環形基座等直徑的筒形結構（筒體嵌入甲板，筒體在甲板下500 mm高度），此類加強形式分為3種方案：方案A1，圓筒基座不增設肘板，見圖 3（a）；方案 A2，圓筒基座外側增設4塊肘板、內側增設橫隔板，見圖3（b）；方案A3，圓筒基座外側增設8塊肘板、內側增設橫隔板，見圖 3（c）。 第二類加強形式 B（圖 2），主要包括波浪補償起重機環形基座下縱向和橫向桁材，此類加強形式分也為3種方案：方案B1，圓筒基座外側增設肘板、內側增設橫隔板，見圖3（d）；方案B2，圓筒基座僅外側增設肘板，見圖3（e）；方案B3，圓筒基座不增設肘板和橫隔板，見圖3（a）。兩類加強形式的結構都與鄰近橫向和縱向強構件進行連接。

圖2 加強形式B

圖3 加強形式設計方案

1.2 有限元計算模型

波浪補償起重機基座加強結構優化研究采用有限元方法，有限元模型采用MSC.PATRAN/NASTRAN計算軟件。

1.2.1 坐標系和單位

模型的總體坐標系采用笛卡兒直角坐標系，其中X軸：沿船縱向，由原點指向船首方向為正；Y軸：沿船橫向，由中縱剖面指向左舷為正；Z軸：沿船垂向，從基線向上為正。為建模及分析方便，模型采用以下單位：長度為米（m）、力為牛頓（N）。

1.2.2 有限元模型

由于波浪補償起重機左右舷對稱布置，所以只建左舷模型。模型范圍以波浪補償起重機的基座（01甲板FR103、距船舯10 900 mm）為中心。橫向：左舷外板至左舷距舯6 500 mm縱桁；縱向：FR96強橫梁至FR109強橫梁；垂向：基座平面至1甲板。

三維有限元模型包括外板及其構件、甲板及其構件、基座及其構件等。所有板構件均以板殼單元來模擬；船體結構的強構件（包括縱桁、強橫梁及外板強肋骨）的腹板和面板也用板殼單元來模擬；縱骨、加強筋、艙壁扶強材等用梁單元模擬。基座面板、腹板和肘板采用板殼單元模擬。在波浪補償起重機基座平面中心與基座之間建立模型預測控制Model Predictive Control（MPC），所有邊界均簡支約束。

圖4 加強形式A有限元模型

圖5 加強形式B有限元模型

2 主要載荷及計算工況

2.1 主要載荷

波浪補償起重機自重及最大載重 26.8 t

傾覆力矩 2 400 kN·m

回轉力矩 380 kN·m

2.2 計算工況

工況1：方位角β=0°，起重機向船首與中縱平行；

工況2：方位角β=45°，起重機向船首與中縱成45°偏向舷外；

工況3：方位角β=90°，起重機向舷外；

工況4：方位角β=－45°，起重機向船首與中縱成45°偏向船中；

工況 5：方位角 β=－90°，起重機向船中。

3 許用應力

按照鋼質海船入級規范，各種工況下，起重設備支撐結構和基座的計算相當應力的許用值為：

式中：ReH為材料屈服應力，N/mm2。

波浪補償起重機基座及甲板加強結構材質為AH32。

4 計算結果及分析

4.1 計算結果

對兩類加強形式用有限元方法針對五種工況分別進行計算。他們的計算結果如表1所示。

表1 各種工況下圓筒基座及甲板加強結構的相當應力

4.2 應力云圖

兩類加強形式應力云圖見下頁圖6～7。

4.3 結果分析

顯然，波浪補償起重機基座下的兩類結構加強形式中，除了方案B3不滿足要求外，其余均滿足CCS規范應力衡準要求。

比較表1和表2的計算結果，我們發現：

（1）相同工況下，在第一類加強形式A中，對方案A1和方案A2進行比較后得出：基座有無肘板對甲板加強構件的應力影響較小；雖然增設肘板對圓筒基座本身的應力有所改善，但在肘板處會出現應力集中。

（2）相同工況下，在第二類加強形式B中，通過方案B1、方案B2和方案B3進行比較得出：增設肘板對甲板加強構件的應力影響較大，而在圓筒基座內側增設橫隔板對甲板加強構件的應力影響較小。

（3）相同工況下，第二類加強形式B的方案B3中，在基座筒體與甲板相交處出現了應力集中；而在第一類加強形式A的方案A1中，應力能很好地傳遞到甲板加強結構上，且滿足要求。

圖6 第一類加強形式應力云圖

圖7 第二類加強形式應力云圖

（4）相同工況下，方案B1和方案B2的甲板加強構件的最大應力要小于第一類加強形式A中的兩種方案。在設計中，方案B1和方案B2甲板下的加強構件比較密集，較加強形式A復雜，現場施工難度較大，而且需要在基座處增設較大肘板，此時在基座肘板與甲板相交處同樣會出現應力集中。

（5）第一類加強形式A與第二類加強形式B比較，前者甲板加強結構比后者輕得多，所以從經濟性考慮，加強形式A優于加強形式B，其中方案A1為最優。

（6）第一類加強形式A的加強結構與周圍鄰近的強構件有很好連接，有利于力的傳遞與分散，從而有效降低各構件的最大應力值。比較兩類結構加強形式的應力云圖，也能發現第一類加強形式A的應力較為均勻，而第二類加強形式B的應力較為集中。由此可見，加強形式A優于加強形式B。

5 結 論

通過對某型船波浪補償起重機基座加強結構形式的有限元計算和比較，發現加強形式A的加強結構與波浪補償起重機基座對應較好，結構加強形式簡單、重量輕且便于力的直接傳遞；加強形式B的加強結構雖然能為波浪補償起重機基座提供較好的支撐，但不利于力的傳遞，而且容易出現應力集中。所以加強形式A是我們最終采用的結構形式。

［1］湯衛民，王穎博，陳永兵.絞盤基座加強結構設計［J］.船舶，2010，21（4）：24-27.

［2］中國船舶工業集團公司.船舶設計實用手冊 結構分冊［M］.北京：國防工業出版社，1998.

［3］中國船級社.鋼制海船入級規范修改通報［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［4］中國船級社.船體結構強度直接計算指南［M］.北京：人民交通出版社，2001.