SOC(特種)型海事起重機桁架式臂架強度與穩定性分析

趙君龍，覃剛，王強

SOC(特種)型海事起重機桁架式臂架強度與穩定性分析

趙君龍，覃剛，王強

根據ABS船級社《Guide for Certification of Lifting Appliances》，對SOC海事起重機桁架式臂架結構的軸向應力、彎曲應力進行計算。對桁架結構的局部穩定性和整體穩定性進行校核。闡述了UC值校核的基本原理和一般流程。

SOC起重機；結構分析；UC值；有限元法

海上吊機是海上石油勘探和開采，遠洋貨物運輸和轉移，海上事故救援，平臺安裝拆卸和轉移等作業活動的重要輔助設備。

對起重機的結構性能、穩定性進行校核和評估，不同國家，不同船級社各有準則和規范[1-4]。被廣泛采用的規范主要有API的《Specification for offshore Pedestal Mounted Cranes》(API .2C.7th)、ABS的《Guide for Certification of Lifting Appliances》、CCS的《Rules for Lifting Appliances of Ships and Offshore Installations》、BV船級社的《Rules for the Certification of Lifting Appliances Onboard Ships and Offshore Units》、LR船級社的《Code for Lifting Appliances in a Marine Environment》、F.E.M標準《Rules for the Design of Hoisting Appliances》、British Standard《Code for The Design of Cranes》、DNV《Lifting Appliances》，以及GB3811等。擬參照ABS規范，對某300 t SOC型海事起重機的桁架式臂架結構進行穩定性校核。

1 300 t起重機概況

該300 t吊機為SOC(特種)型海事起重機。由基柱組件、塔身組件、臂架組件、主起升機構、變幅機構、回轉機構、穩索絞車組件、液壓系統及電氣系統等組成，具有主起升、副起升、變幅、回轉、穩索等操作能力。主鉤起吊能力300 t，副鉤起吊能力10 t。最大工作半徑55.5 m，最小工作半徑9 m。臂架結構采用桁架式結構設計。主要由板梁結構組成，能夠實現360°范圍的回轉。典型A字架式起重機示意見圖1。300 t起重機臂架參數見表1。桁架結構幾何模型見圖2。

臂架總長/mRmax/mRmin/m起升高度/m最大起重量/t5855．5970300

2 計算工況

桁架式起重機的主鉤起吊工況具有船內、船外作業模式，作業浪高分為2 m和0.4 m。作業工況主要包含動態船內2 m波高正吹正傾，動態船內2 m波高側吹側傾，及動態船外0.4 m正吹正傾，動態船外0.4 m側吹側傾等工況。船內正吹正傾時，無側載，但是船外正吹正傾時，考慮到起吊船和目標船的相對運動，在總體計算時，臂架頭部是承受側載的。計算工況見表2。

表2 計算工況明細

3 計算結果及分析

3.1 強度校核

不同規范的應力校核的計算方法和準則不盡相同，但基本原理相同[5-6]。主要對結構的強度、局部穩定性以及整體穩定性進行校核。以受壓桿件的軸向許用應力、彎曲應力及組合應力校核為例，不同規范下的校核準則對比見表3。

表3 不同設計規范校核準則對比

1)根據ABS規范，桁架結構的綜合許用應力不超過其屈服值的0.6，綜合應力云圖見圖3。

300 t桁架式起重機臂架結構的計算結果統計見表4。

MPa

由表4可見，在同樣海況下，中間幅度(15 m變幅)，桁架結構的綜合應力值最大。原因是與變幅9 m相比，雖然起重量相同，但是重物產生的力臂增加，導致變幅繩索上的張力增加。兩者合力導致的軸向應力和彎曲應力也隨之增加。55 m變幅下，重物的力臂增加，導致彎曲應力增加。但是起重量與9 m變幅及15 m變幅相比，有了大幅度的下降。同時，臂架的傾角減小，導致沿臂架方向上的合力減小，軸向壓應力減小。同樣變幅條件下，危險工況主要集中在船內工況，與船外工況比，船內工況的變幅繩張力增加，導致軸向應力和彎曲應力均增加。因此需要對中間幅度下桁架結構的穩定性進行重點的校核。

3.2 局部穩定性校核

對于桁架結構的穩定性校核主要通過2個指標來衡量：①軸向應力低于軸向許用應力；②組合應力校核(unity check,UC)的UC值小于1。

由于篇幅有限，主要對15 m變幅下的桁架結構進行穩定性校核和分析，局部穩定性UC值校核見表5。值得注意的是，在靜態工況時，采用了0.75倍的許用應力修正系數。工況5應力分析見圖4。

表5 局部穩定性UC值校核

3.3 桁架結構的整體穩定性校核

應校核在臂架平面和垂直平面的穩定性，與局部穩定性計算方法相同，都需要進行軸向許用應力校核及彎曲應力校核。與局部穩定性計算相比，在長細比的計算方式上，整體穩定性校核的長細比等于臂架的有效長度除以臂架的有效回轉半徑，計算模型見圖5。

關于臂架有效長度系數的選取，參照British Standard《BS2375_1983—Rules for design of cranes》中的相關規定。

le=kL

(1)

式中：le為臂架有效長度，mm；L為臂架實際長度，mm；k為長度系數，根據兩種情況確定。

臂架變幅平面內，認為臂架兩端鉸支，k=1，在臂架平面內，臂架可作為根部固定，頭部的移動受到起升鋼絲繩和變幅鋼絲繩的部分限制，臂架尺寸代號見圖6。系數k為

(2)

臂架有效回轉半徑re為

(3)

式中：A為構件截面積，mm2；Ie為有效慣性矩，mm4；I0為構件截面的最大慣性矩，mm4；m根據I1/I0插值計算得來。

整體穩定性校核見表6。

4 結論

表6 整體穩定性校核表

1)最小變幅情況下，桁架結構軸向壓應力很大，彎曲應力較小；最大變幅情況下，力臂長，起重噸位受限，導致彎曲應力大，軸向壓縮應力偏小；在中間幅度下，起重量與最小幅度相同，但是彎曲應力增加顯著，因此需要重點進行關注。

2)與傳統傳統有限元分析(ANSYS等)只能提取結構的軸向應力、綜合應力不同，在UC校核中，各成分的應力不是簡單的疊加，而是根據應力的種類、作用匹配不同的應力系數。同時，傳統有限元的穩定性分析得出的特征值無法在船級社規范中找到具體明確的規范支撐，而UC值校核，很好地契合了船級社規范的規定和要求。

[1] British Standard BS2375.1983(Code for the design of cranes)[S].London South Bank University, 1980.

[2] 美國船級社.Guide for certification of lifting appliances[S]. Housiton.ABS, 2014.

[3] 中國船級社.Rules for lifting appliances of ships and offshore installations[S].北京.CCS,2007.

[4] BV船級社.Rules for the certification of lifting appliances onboard ships and offshore units[S].BV.

[5] 王貴彪，王偉，謝永和.120 t起重船扒桿結構強度及穩定性分析[J].船海工程，2015,44(1):33-36.

[6] 陳南華，李艷珍.150 t起重船A型吊臂結構有限元分析[J].船海工程，2013,12(6):29-32.

(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

Strength and Buckling Analysis of the Lattice Boom for the SOC Offshore Crane

ZHAO Jun-long, QIN Gang, WANG Qiang

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

The axial stress and bending stress of a SOC offshore crane’s lattice boom was calculated according to the Guide for Certification of Lifting Appliances of ABS. The local stability of members of the lattice boom and global stability of the whole structure were also assessed. The general principle and procedures of assessment by UC values were introduced also.

SOC crane; structural analysis; UC value; FEM

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.030

2016-07-14

趙君龍(1985—)，男，碩士，工程師研究方向:數字化仿真CAE

U664.4

A

1671-7953(2017)01-0122-04

修回日期：2016-08-23