港內機動工作船吊機基座改裝設計強度分析

王初龍，向小斌，池建輝，董崇東

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

港內機動工作船吊機基座改裝設計強度分析

王初龍，向小斌，池建輝，董崇東

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

文章對某港內機動工作船吊機基座改裝設計后的結構強度進行了有限元分析，簡單描述了有限元分析模型的建立以及邊界條件的設置，重點介紹了載荷的計算和工況的選取，并對計算結果進行了分析。

港內機動工作船；吊機基座；結構強度；有限元分析

0 引言

港內機動工作船是造修船企業常見的生產輔助船，主要為生產活動提供物料等的吊裝和運輸任務。隨著現代造船業的發展，船舶噸位越來越大，而目前使用的港內機動工作船往往已服役較長時間，其吊裝半徑和起吊高度有限。基于此，有必要對吊機進行改裝設計以滿足生產要求。對吊機改裝后，涉及到結構強度和船舶穩性等方面的要求，因此需要重新進行評估。

本文根據中國船級社《船舶與海上設施起重規范（2007）》[1]和《內河船舶入級規范（2011）》[2]的有關要求，采用通用有限元分析軟件MSC.Patran&Nastran[3]對某港內機動工作船吊機基座加高改裝后進行了結構屈服強度分析。

1 概況

本船起重機位于船中前部，根據生產要求，需將吊機整體抬高8 m。考慮到加高以后，各載荷工況下基座根部將存在較大的彎矩。因此，需對基座根部進行有效的加強保護。但同時應避免加強做得太高而阻礙駕駛視線。本船吊機加高后的側視圖如圖1所示。本船吊機的主要參數為：吊機總重為25 t，重心靠近駕駛室一側0.35 m；設計起重載荷為5 t；起重臂系統重3.44 t，吊臂長22 m，重心靠近吊臂中心；起重時最大水平力為3.2 t；設計動載系數為1.08。

2 有限元模型

2.1 模型的建立

根據規范要求，采用局部立體結構模型時，以設備有效作用平面矩形（a×b）形心為中心，向四周分別擴展至少一倍的該矩形相對應的長、寬距離（3a×3b）。垂向從基座底面擴展至甲板之下的第一個平臺甲板或至少D/4處（D為型深）。如按上述方法框取的模型邊界上未設置結構的主要支撐構件，則模型應再延伸至邊界落在結構的主要支撐構件上。根據以上原則，本文模型范圍為吊機基座本身以及基座下方整個甲板室。

總體坐標系取右手直角坐標系，其中，x軸沿船長方向，向艏為正；y軸沿船寬方向，左舷為正；z軸沿型深方向，向上為正。

考慮到局部分析且該區域應力較高，本模型網格板單元盡量采用正方形，網格大小取1/5骨材間距，為110 mm×110 mm，各構件適用單元類型如下：

1）板單元：基座筒體、甲板、艙壁、肘板、桁材的腹板；

2）梁單元：甲板骨材、扶強材、桁材的面板。

由于吊機本身不進行模擬，因此在基座頂端，需采用多點約束單元（MPC）來傳遞載荷。

有限元模型如圖2所示。

2.2 邊界條件

甲板室下端邊界處采用簡支，即：δx=δy=δz=0。

2.3 材料屬性及力學性能

本模型中船體結構以及基座中所有板材均為Q235普通鋼，其主要屬性及力學性能參數如表 1所示。

表1 材料屬性及力學性能

在實際建模時，質量密度放大 1.1倍，即：8.635×10-6kg/mm3。

2.4 載荷及工況

根據本吊機實際使用情況，并結合《船舶與海上設施起重設備規范》要求，需對下面三種情況下的工況進行校核：

1）工況1：吊機處于無風狀態，應考慮的載荷包括：

（1）自重載荷，以A表示；

（2）（起升載荷+船舶傾斜（橫傾與縱傾）所產生的起升載荷水平分力）×起升系數φh，以B表示；

（3）其他最不利的水平力（通常由回轉加速度產生），以C表示；

（4）由船舶傾斜（橫傾與縱傾）產生的自重載荷水平分力，以D表示。

組合載荷：[A+B+C+D]×作業系數φd

2）工況2：吊機處于有風狀態，應考慮的載荷包括工況1中的組合載荷，并計及最不利的風載荷。

3）工況3：吊機處于放置狀態，應考慮的載荷包括船舶傾斜、船舶運動所產生的力和風的作用力。

各項載荷計算如下：

1）起升載荷：吊重5 t和起重臂系統3.44 t，5+3.44=8.44 (t)；

2）起升系數：起升系數φh=1+CV，其中C取0.3，V為起升速度，根據設備資料，最快起升速度為12 m/min=0.2 m/s，則φh=1+CV=1+0.3×0.2=1.06，小于規范要求的1.10，故取起升系數為1.10；

3）動載系數：對于工作狀態，起升載荷還需考慮一定的動載系數，根據原有的設備資料，取1.08。

對于起升載荷，其總系數為：1.10×1.08=1.188。

按規范要求，本吊機考慮船舶橫傾 5°和縱傾2°，因此在考慮起升系數及動載系數后各傾斜狀態下的起升載荷垂直分力、水平分力及由垂直分力引起的彎矩計算值如表2所示。

表2 起升載荷計算表

2.4.1 自重載荷及水平分量

重力加速度g為?9.81 m/s2。

自重載荷為不包括起重載荷中的起重設備部件質量為：25－3.44=21.56 (t)。

重心位置為：(25×0.35-3.44×11)/21.56=?1.35 (m)，即重心在吊臂相對一側。

則自重載荷在船舶傾斜下的垂直分力、水平分力及由垂直分力引起的彎矩計算值如表3所示。

表3 自重載荷計算表（吊機）

筒體加高后的重量約為6.5 t。在實際船舶傾斜時其垂向分量有所減小，但在有限元計算中，系統施加慣性載荷，筒體一直處于正浮狀態，此時垂向載荷比實際值要略大，偏于安全。因此，只計算筒體因傾斜而產生的水平分力，并將水平分力施加在基座頂部MPC處。計算值如表4所示。

表4 自重載荷計算表（基座筒體）

2.4.2 最不利水平力

由回轉加速度產生的最大水平力取原資料中給定的3.2×9 810=31 392 (N)，并認為與吊臂垂直。為保守起見，此水平力被認為作用于吊臂端部，力臂為22 m。此時引起的回轉力矩為31 392×22=690 624 (N·m)；并考慮到起重臂最大升幅角度為78°，此時吊幅半徑為6 m，則垂向最大力臂為6×tan(78°)=28.23 (m)，故由水平力引起的側向彎矩為：31 392×28.23=886 196 (N·m)。

2.4.3 風載荷

吊機及筒體側面受風面積為48.63 m2；正面受風面積（考慮吊臂升至最高）為33.57 m2；吊物受風面積根據穩性計算報告取6.85 m2。保守起見，無論吊機及吊物側面受風還是正面受風，都取兩者之和。

風壓q=0.613Vw2，其中，Vw為風速，工作時取20 m/s，放置狀態下取55 m/s。則作業工況和放置工況下的風載荷計算見表5。

表5 風載荷計算表

2.4.4 作業系數

對于工作狀態，需考慮一定的作業系數，根據規范，取1.05。

2.4.5 船舶運動載荷

根據規范要求，船舶運動載荷需考慮下面兩種情況的組合力：

1）垂直于甲板的加速度為±1.0g，前后方向平行于甲板的加速度為±0.5g，靜橫傾30°，風速55 m/s，作用于前后方向；

2）垂直于甲板的加速度為±1.0 g，橫向平行于甲板的加速度為±0.5 g，靜橫傾30°，風速55 m/s，作用于橫向。

考慮到垂向加速度為+1.0 g時，將與重力加速度抵消，對本次分析中的筒體、基座及反面加強結構有利，因此在本次分析中該情況忽略不計。

在放置狀態時，起重臂朝向船尾，此時考慮各加速度的慣性力及引起的力矩計算見表6和表7。

表6 慣性載荷計算表（吊機整體，包括起重臂）

2.4.6 工況組合

針對前文所述的工況1、工況2和工況3，對于不同的載荷朝向及吊臂朝向，結構將產生不同的結構響應，因此對應每個工況分別設置如表8～表10所示的若干子工況進行分析。

其中，方位角以朝船首方向為0°，逆時針為正；正面受風時的風載荷在作業工況時沿起重臂方向。

表7 慣性載荷計算表（筒體）

3 計算結果及分析

3.1 許用應力

根據規范要求，各構件的屈服強度許用應力的計算公式為：[σ]=σs/n。式中，σs為材料屈服強度，MPa；n為安全系數。各工況的許用應力見表11。

表8 工況1對應的子工況

表9 工況2對應的子工況

表10 工況3對應子工況

表11 許用應力

3.2 計算結果及分析

經計算整理，各工況下基座及船體結構的應力結果匯總如表12所示。各工況的應力云圖見圖3～圖12。

表12 各工況最大應力匯總（單位：MPa）

1）從應力結果可以看出，船體結構和基座均滿足規范對屈服強度的要求。

2）對于工況1和工況2，板單元最大應力出現在基座正下方與艙壁連接處的甲板室強橫梁上；而梁單元最大應力出現在基座正下方與甲板室縱桁相連接的筒體扶強材上。這兩處高應力區域均是由于未設置肘板過渡而引起的。考慮到在工程實際中，應當最大程度地減少火工作業，該兩處雖然應力較高，但仍滿足強度要求，故可以不設肘板。

3）對于工況3，板單元應力最大值出現在基座肘板面板處，且受壓為主，因此，肘板的面板厚度不能太薄以致屈曲，在此次改裝設計中取20 mm，滿足要求；最大梁單元應力出現在與肘板相應的筒體扶強材上，可見在基座肘板反面增加環形強框是非常有必要的。

4 結論

根據規范對改裝加高后的機動工作船基座及其支撐結構進行有限元強度分析，得到了工作及放置工況下的應力，由結果可知，基座本身和支撐結構均能滿足強度要求，并通過應力云圖對各工況下高應力區域進行了分析。

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

[2] 中國船級社. 船舶與海上設施起重設備規范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2007.

[3] 中國船級社. 內河船舶建造與入級規范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2011.

中國船級社檢驗的首個移動式試采平臺成功交付

近日，由中國船級社（CCS）獨立進行檢驗的海洋石油162在煙臺中集來福士舉行了交船儀式。海洋石油162是中海油能源發展有限公司的首個移動式試采平臺，具備試采、油氣分離、儲存和外輸等功能，是CCS首次為國內移動平臺授予CCS生產測試平臺（Production Testing Unit）和油氣水處理系統（Process）附加標志，其成功交付不僅彌補了中海油能源公司在這一技術領域的空白，也為海洋石油開發開創了新思路。

海洋石油162為四樁腿自升式試采、井口作業一體化平臺。平臺總長81.53 m，總寬37.73 m，作業水深可達40 m，污油水最大艙容為3 055 m3，井口作業設備最大提升能力為1 580 kN。本項目采用了“勘探+試采+開發”勘探開發一體化的模式，對推動海洋石油邊際油田開發具有重要意義。

海洋石油162的成功檢驗進一步增強了CCS海工檢驗的服務能力，CCS在海工領域不僅可以提供法定、入級、第三方等傳統服務，更可以根據客戶需求為新型海工設備提供個性化的檢驗服務。

來源：中國船級社

Finite Element Analysis of Strength for Crane Pedestal Foundation Conversion Design of Harbor Maneuvering Ship

Wang Chulong, Xiang Xiaobin, Chi Jianhui, Dong Chongdong

(COSCO Shanghai Shipyard Co., Ltd., Shanghai 200231, China)

The finite element analysis of structural strength for crane pedestal foundation conversion design of harbor maneuvering ship is done in the paper. It also briefly describes the finite element analysis model and the set of boundary conditions. The paper highlights the calculation of the loads and the selection of conditions. The results are analyzed.

harbor maneuvering ship; crane pedestal foundation; structural strength; finite element analysis

U663.7

A

10.14141/j.31-1981.2017.02.010

王初龍（1985—），男，碩士，助理工程師，研究方向：船舶與海洋工程結構設計與分析。