上層建筑在起吊沖擊載荷作用下結構強度分析

程玉芹，羅廣恩

(1.淮海工學院機械工程學院，江蘇 連云港 222003；2.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

上層建筑在起吊沖擊載荷作用下結構強度分析

程玉芹1，羅廣恩2

(1.淮海工學院機械工程學院，江蘇 連云港 222003；2.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

以10.5萬t油船為例，根據電機啟動特性，運用MD/Nastran軟件瞬態分析方法，對上層建筑在起吊瞬間各種不同工況下的動態響應進行計算，并對上層建筑平穩吊裝過程中的應力進行計算。通過對比這2個階段的結構應力，檢驗目前使用的上層建筑吊裝安全系數的可靠性。

上層建筑;起升沖擊載荷; 安全系數; 瞬態分析

0 引言

上層建筑吊裝強度的常規計算方法是參考有限元直接計算指南[1]來進行有限元建模和計算的，通常采用吊裝前和吊裝過程中2個階段對上層建筑結構的應力與變形進行校核。吊裝前，結構放置于平臺胎架上，慣性載荷即為重力加速度；吊裝過程中，考慮到起吊瞬間對結構的沖擊作用，將慣性載荷取為原重力加速度的1.1或1.2倍來近似模擬等效的沖擊載荷，計算時采用靜力計算的方法。該方法操作簡便，但準確性有待進一步研究。

在實際吊裝過程中，起吊時刻上層建筑結構所受到的沖擊載荷是一個瞬態的過程。吊點處的外載荷不是一個固定值，而是一個在很短的時間內由零增加到結構自重的變化值，計算在這樣一種隨時間變化的激勵載荷下的結構響應，必須借助瞬態分析的方法。用于瞬態響應分析的數值方法有2種[2,3]：直接法和模態法。何成忠[4]、湯秀麗[5]、王貢獻[6]、趙爽[7]等采用瞬態分析的方法各自對不同形式的起重機的動態特性進行了研究，為不同形式的起重機動載荷的修正提供了理論依據。

本文將參考上述學者在起重機方面的研究，以105 000 DWT油船為例，采用瞬態分析中的直接法，并考慮結構阻尼的影響，詳細分析上層建筑吊裝時，起升沖擊載荷對上層建筑結構應力的影響；計算不同起吊加速持續時間和起升電機特性下，上層建筑結構應力的變化情況；尋找到一個合理的起吊加速持續時間和恒定吊裝速度，并檢驗目前采用的安全系數的可靠性。

1 上層建筑基本資料及有限元模型

105 000 DWT油船上層建筑共有5層，自上而下分別為羅經甲板、駕駛甲板、C 甲板、B 甲板、A 甲板。該船上層建筑沿船長方向為18.0 m(Fr29-2 000 mm至Fr49)，船寬方向為42.0 m(上層建筑左右舷圍壁間距26.24 m)，船深方向為13.9 m(羅經甲板 2.7 m、駕駛甲板 2.8 m、C甲板2.8 m、B 甲板2.8 m、A 甲板 2.8 m)。上層建筑各層甲板采用橫骨架式，在右舷靠船中設樓梯通道，Fr29、Fr47分別設圍壁板，Fr35、Fr38分別設壁板；肋距800 mm，縱骨間距820 mm；上層建筑結構全部采用普通碳素鋼，船體重量為348.386 t，重心靠左舷。

利用MSC/Patran軟件對105 000 DWT油船5層上層建筑船體結構建立有限元模型，如圖1所示。依據文獻[1]，有限元網格尺寸沿船長方向每肋位2個單元，船寬方向每縱骨間距2個單元；有限元模型中的板材均為平面板，板材采用四節點四邊形單元；橫梁、縱骨、縱桁采用梁單元模擬。建模時采用分組技術，共有79個組(Groups)、44 848個節點(Nodes)、58 850個單元(Elements)。

圖1 105 000 DWT油船上層建筑整體結構有限元模型

通過定義全船結構有限元模型中構件單元的尺寸和密度，可以由程序自動計算船體結構構件鋼材自重。居裝件的重量主要是甲板敷料的重量，居裝重量以分布力的形式施加到駕駛甲板、C甲板、B 甲板、A 甲板4層甲板上；其余重量相對較小，以密度的形式均勻施加于結構。調整結構的重量重心，使其與實際結構的重量重心相一致。

有限元模擬過程中的材料模型選擇線彈性模型，密度7 850 kg/m3，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比v=0.3。

2 起吊瞬間不同工況下上層建筑結構應力分析

在上層建筑由靜止到額定工作速度整個起升過程中的加速度主要取決于起升電機啟動加速度特性。根據起升瞬態過程中的加速度變化曲線，可以得到上層建筑起升瞬態過程中的速度變化曲線。因此，起升電機的加速度曲線是決定上層建筑吊裝起升瞬態過程中沖擊載荷的關鍵因素。目前，龍門吊所采用的起升電機大都為變頻電機，其調速性能良好，加速度特性曲線可以調成任意形式的特征曲線。變頻電機的加速度特性曲線[1]有4種：半正弦(half-sine)加速曲線；正矢(versed-sine)加速曲線；梯形(trapezoidal)加速曲線；三角形(triangular)加速曲線，如圖2所示。圖2中，a(t)為變頻電機的加速度，是一個隨起吊加速持續時間τ變化的量；A為加速度幅值；r和h對應著梯形起升加速度曲線中的兩個時間節點。

圖2 4種起升加速度曲線

由于與加速度特性曲線相關的因素有起吊加速持續時間τ以及起吊瞬態過程結束時刻的恒定吊裝速度v，因此本文分析不同的加速度特性曲線中τ和v的取值對起升沖擊載荷下上層建筑結構應力的影響，通過對比分析得到一個合理的起吊加速持續時間和恒定吊裝速度，并確定上層建筑吊裝的安全系數。

對于起升電機采用半正弦加速曲線的情況，本文選擇5種不同的起吊加速時間τ=1、1.5、2、2.5、3 s，結合4種不同的恒定吊裝速度v=0.6、0.8、1、1.2 m/s共20種工況進行分析。對于后續的另外3種加速曲線，將同樣采用此20種分析工況。為了便于區分，將工況前面加上不同加速曲線的首字母縮寫，見表1。

表1 半正弦加速曲線下結構的分析工況

除了上層建筑吊裝前的重力載荷及居裝件重量外，根據吊裝方式及工況的不同，在吊點處施加不同的速度函數。圖3為對應于起吊加速時間為1 s時不同恒定吊裝速度下的速度-時間曲線，即v-τ曲線。

圖3 幾種不同工況下的速度曲線圖

采用MD/Nastran軟件進行瞬態分析，結果如圖4～圖5所示，可以得出：

圖4 結構應力隨時間變化曲線

在起吊加速時間為1～2 s時，上層建筑結構的應力隨時間降低的幅度大于起吊加速時間為2～3 s的情況。可見，增加起吊加速時間τ可以減輕沖擊載荷對上層建筑結構的沖擊，但過長的加速時間對降低上層建筑應力值效果并不十分顯著；同一起吊加速時間下，速度越小，上層建筑結構應力值越小，但降低幅度較小，恒定吊裝速度對上層建筑結構應力的影響程度小于起吊加速時間對其的影響。

圖5 結構應力隨吊裝速度變化曲線

圖6為龍門吊吊裝方式下，起吊加速時間3 s時，工況BZX-LC1下結構的應力云圖。

圖6 工況BZX-LC1下上層建筑應力云圖

對于起升電機采用其他3種加速曲線的情況，同樣選擇上節采用的20種工況進行分析，結果與半正弦加載曲線的結果類似。可知：不同加速曲線的不同工況中，起吊加速時間為3 s，恒定吊裝速度為0.6 m/s時，對應于工況LC1-5下，結構所受到的沖擊作用最小。

3 平穩吊裝過程中上層建筑吊裝強度

上層建筑起吊至離地300 mm距離后，將作仔細檢查，確認無誤后進行正式吊運。在正式吊裝過程中，結構處于靜力平衡狀態。

由于上層建筑吊裝過程中，結構在不斷運動，處于“全自由”狀態，但是對它進行有限元靜力分析時，不能處理為全自由結構。慣性釋放是MD/Nastran中的一個高級應用，允許對完全無約束的結構進行靜力分析,簡單地說就是用結構的慣性力來平衡外力。盡管結構沒有約束，分析時仍假設其處于一種“靜態”的平衡狀態。采用慣性釋放功能進行靜力分析時，只需要對1個節點進行6個自由度的約束(虛支座)[8]。約束點可以由軟件自行選擇，也可以人工選擇，2種方法得出的應力結果完全相同。

對上層建筑吊裝過程中結構應力可采用慣性釋放技術進行分析。

慣性載荷在型深方向取az=g=9.8 m/s2，其余方向為0。吊孔位置受到纜繩向上的拉力，大小與結構的自重相等。將建好的有限元模型調入MD/Nastran計算，上層建筑吊裝過程中結構的最大應力與變形匯總見表2。

表2 上層建筑吊裝過程中結構的最大應力與變形

圖7為龍門吊吊裝方式下，上層建筑結構在吊裝過程中的應力分布圖。

圖7 吊裝過程中上層建筑整體結構應力云圖

4 吊裝工藝中安全系數可靠性驗證

根據起吊瞬間及平穩吊裝過程中2個階段上層建筑結構應力的分析，可以分別得到2個階段上層建筑結構應力的最大值。根據起吊瞬間的沖擊載荷對結構應力的影響，確定若采用靜力計算替代瞬態分析，應該選擇多大的安全系數，并判斷目前上層建筑吊裝有限元分析中安全系數的選取是否合理，結果見表3。

安全系數由起吊瞬間的最大應力值除以平穩吊裝過程中的最大應力值得到。這里起吊瞬間不同起升電機加速曲線下，上層建筑結構的應力值為起吊加速時間取3 s，恒定吊裝速度取0.6 m/s(對應工況LC1-5)，以及起吊加速時間取1 s，恒定吊裝速度取1.2 m/s(對應工況LC4-1)情況下的應力值，分別對應各種起升電機加速曲線下，上層建筑結構應力的最小值和最大值，其他工況下上層建筑的應力值介于兩者之間。

表3 上層建筑吊裝工藝安全系數可靠性驗證

由表3可以看出：

(1) 2種不同的吊裝方式下，起升電機為正矢加速曲線，起吊加速時間取1 s，恒定吊裝速度取1.2 m/s時，結構需要選取的安全系數最大。

(2) 半正弦加速曲線、梯形加速曲線及三角形加速曲線情況下，結構選取的安全系數相差不大。

目前，上層建筑吊裝過程中選用的安全系數為1.1或1.2，可以看出這樣的安全系數值在起吊加速時間長，吊裝速度小的情況下準確性很高。

5 結論

本文以105 000 DWT油船上層建筑為例，采用MSC/Patran及MD/Nastran軟件對上層建筑吊裝過程進行動態模擬，起吊瞬間考慮了4種不同的加速度曲線，并根據起吊加速時間以及恒定吊裝速度的不同設置了20種組合工況，得出了上層建筑起吊瞬態過程中，較為合理的起吊加速時間和恒定吊裝速度。根據起吊瞬態過程與平穩吊裝過程中上層建筑最大應力值的對比，判斷現有上層建筑安全系數的合理性。結論如下：

(1)不論采用何種起升電機加速曲線，起吊加速時間愈長，恒定吊裝速度越小，沖擊載荷對上層建筑應力值的影響愈小。恒定吊裝速度v對上層建筑結構應力的影響程度小于起吊加速時間τ對其應力的影響。在實際吊裝過程中，選擇較小的吊裝速度及較長的起吊加速時間，可以有效地降低上層建筑結構應力。

(2)結合船廠吊裝的實際速度與時間，上層建筑吊裝過程中選用的安全系數為1.1或1.2，具有較高的準確性。

[1]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.

[2]楊劍, 張璞, 陳火紅.新編MD /Nastran有限元實例教程[M]. 北京: 機械工業出版社,2008.

[3]黃海燕, 劉曉衛.集裝箱船結構動力學分析[J]. 船海工程, 2011,40(2):22-24.

[4]何成忠，胡吉全，王新華.帶斗門座起重機在卸載沖擊載荷下的動態特性研究[J]. 港口裝卸, 2010(2):20-22.

[5]湯秀麗, 李和平.固定式起重機的支撐圓筒在地震載荷下的動態特性研究[J]. 港口裝卸, 2009(1):10-11.

[6]王貢獻,沈榮瀛.起重機臂架在起升沖擊載荷作用下動態特性研究[J]. 機械強度, 2005,27(5):561-566.

[7]趙爽，等.抓斗起重機主梁動特性有限元分析[J]. 煤礦機械, 2011,32(9):79-80.

[8]張少雄, 楊永謙.船體結構強度直接計算中慣性釋放的應用[J]. 中國艦船研究, 2006(1):58-61.

2014-06-17

程玉芹(1988-)，女，助教，碩士研究生，主要研究方向為船舶與海洋結構物強度分析。

U661.43

A