浮式起重機底座加強結構強度評估及優(yōu)化

李杰

摘 要：現(xiàn)在人們對于各種工業(yè)生產(chǎn)設施的要求都在逐漸的提高，浮式起重機的結構要求也隨之提高。本文采用有限元方法研究了起重機的基礎加固結構，評估了起重機基礎在最大工況和非工作狀態(tài)下的加固結構強度。基于此，優(yōu)化了起重機基座的結構，經(jīng)過評價發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的起重機有著顯著高于沒有優(yōu)化過起重機的底座強度。

關鍵詞：起重機底座;結構強度;結構優(yōu)化

中圖分類號：U661.43 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0081-02

0 引言

在貨船運行期間，通常增加起重機，導致船體結構上的大的集中載荷。電梯將從基礎轉移到附近的主船體結構，使船體結構復雜化。通過簡單的結構力學分析，很難確定結構強度是否符合標準。有限元分析軟件MSC用于檢查起重機的強度基礎和附近的船體結構和結構。在此基礎上，MSC進行了優(yōu)化，以增強船舶起重機結構的強度，以滿足規(guī)范的要求。

1 浮式起重機結構強度現(xiàn)狀

在許多散貨船碰撞事故中，直接原因是結構設計不合理。這反映了結構可靠性在此類船舶安全評估中的重要性。研究表明，大多數(shù)研究都與完整，受損和沉沒狀態(tài)下散貨船的結構可靠性和強度有關。近年來，研究證實船體梁斷裂問題與現(xiàn)有單殼散裝船體的可靠性有關。散貨船在世界航運業(yè)中發(fā)揮著重要作用。散貨船在海上航行，并將各種貨物運往世界各地。散貨船的規(guī)模從20000噸到便攜式，巴拿馬型，海岬型船甚至30萬噸超級散貨船。目前，大多數(shù)散貨船都是單殼結構，根據(jù)多年來散貨船事故的統(tǒng)計，單殼散貨船的側殼在各種損壞中的事故率最高。如艙口蓋和甲板以及船舶的側外結構。此外，由于取消了作為壓載艙的貨艙，一些港口解決了一些港口的貨物裝載問題，這可以通過僅在港口設計壓載艙來解決。MSC用于解決結構模型。通過Nastran軟件，獲得了起重機加固結構的應力值和分布。在三種工況下繪制了起重機基礎加固結構的應力云圖，總結了各構件的最大應力結果[1]。分析的主要原因：

（1）從船體結構來看，散貨船的側面結構比上下油箱的三角形框架結構弱，特別是在滿載時，對于側面裝載機、貨艙，該結構的有效性是貨物下沉的張力和外板的水壓的兩倍。（2）在裝載狀態(tài)下由側面和貨物之間的直接接觸引起的加速腐蝕。（3）裝卸貨物時發(fā)生機械損壞，清理邊緣剩余貨物。人們采取了多種多樣的方法來盡可能的提高散貨船的安全方面能力，尤其是一些舊散貨船已經(jīng)經(jīng)歷了長久的海上航行，在實際運行的過程中難免會遇到多方面的問題，這就會導致其安全性能大幅度的降低。散貨船在航行的過程中，其側面結構是船體當中強度最弱的部位，滿載的條件下最容易出現(xiàn)問題的就是船體的側面結構。重型貨倉的側面結構受到貨物下沉力以及外部水壓的影響很大。文章將散貨船結構進行改裝，使用了雙殼結構來有效的提高船體剪切強度，從案例當中的具體分析可以看出愛雙殼結構將橫向的剪切應力進行了減小，小到原始的單殼層輪船的一半應力左右，與此同時隔室等的頂端邊緣部分也有著顯著的剪切應力降低的效果。對這一過程進行總結，散貨船結構改造成雙殼結構的話可以稍微的提高船體彎曲性能，但是這樣的過程并沒有十分明顯的使用效果。這是因為增加的內(nèi)殼位置恰好靠近中性軸，因此對總縱向彎矩的影響很小。

雙殼結構極大地改善了船體側結構的抗剪切性，但是雙殼結構的引入增加了船體結構的重量并減小了箱體的部分體積。因此，有必要優(yōu)化船體結構。在本文中，船體通過進化算法進行優(yōu)化。結果表明，與傳統(tǒng)的單殼結構相比，優(yōu)化的雙殼結構僅使重量增加了5%到7.5%。由于時間關系，本文僅計算船舶縱向構件的優(yōu)化設計。通過橫框架結構和槽式艙壁結構的優(yōu)化設計，可以在一定程度上減輕結構的重量，并可以適當補償箱體容量的損失[2]。

2 有限元模型

浮式起重機可用于海岸和船舶，船舶之間的裝卸作業(yè)。它具有工作效率高，運行穩(wěn)定，操作靈活的特點。它是船舶理想的裝卸設備。為了獲得海上多用途貨船（集裝箱/散貨船）的起重能力，需要浮式起重機。起重機基座加強結構的局部強度對結構的安全性有很大影響，因此有必要對強度進行評估。基于起重機布局，基本結構圖和其他材料，通過MSC軟件建立起重機的有限元模型。該范圍內(nèi)的型號包括甲板，平臺和內(nèi)部起重機油缸，內(nèi)部和外部地板，5300個平臺，主甲板，縱向和橫向艙壁和肋。骨架結構如船底和縱向鋼筋。其中，起重機滾筒，船底和肋底梁由板單元建模，縱梁橫梁由梁單元建模。在已建立的有限元模型中，坐標系X沿著船的長度，Y沿著船的寬度，Z沿著船的深度。起重機基座的增強材料是船用低碳鋼，彈性模量限制在一定范圍內(nèi)。為了保證計算的順利進行，起重機基礎加固結構的有限元模型根據(jù)實際情況進行了約束。有限元模型主要受浮吊的重量和運行過程中提升載荷的增加的影響。它通過多點耦合單元MPC（多點耦合）應用于船體，即在氣缸和主甲板的交叉平面的中心處建立單獨的點。平面上的其他節(jié)點與獨立點相關聯(lián)，并將集中力應用于獨立點[3]。起重機很重，考慮兩種情況：首先，只考慮起重機本身的重量，將垂直集中力施加到獨立點;其次，只考慮起重機本身的重量和最大起重量到獨立點。

3 結構優(yōu)化

盡管雙殼散貨船的技術要求不斷得到改進和澄清，但雙殼設計概念并未首次在船舶設計中提出。為了減少油輪碰撞或珊瑚礁造成的石油泄漏，20世紀90年代實施了油輪雙殼船，單殼船正在加速退出世界航運市場。基于上述分析，雙殼體的起點是增強船體的側面結構，以抵抗與貨物相關的腐蝕和機械損壞，同時防止貨艙在套管損壞后進一步進入水中。此外，雙體散貨船在節(jié)省卸貨時間，貨艙清潔時間和貨艙維護費用方面具有顯著優(yōu)勢。在設計雙殼散貨船或雙殼散貨船時，將面臨以下方面[4]。

當選擇雙層結構時，散裝載體有兩種主要類型的雙層結構：垂直骨架類型和水平骨架類型。當然，也存在混合骨架形式，其中前兩種不同的骨架形式分別應用于內(nèi)套筒。無論結構類型如何，水平梁和垂直肋條都是雙層結構中必不可少的，以確保必要的強度和安全的通道布置。垂直骨架形式在雙殼油輪的設計中更為常見。在縱向骨架雙殼散貨船中，設計了縱向骨架的疲勞強度和縱向板對縱向肋產(chǎn)生的剪切力，以傳遞外板的壓力。橫向框架雙殼體的優(yōu)點在于，每個肋條可以均勻地傳遞外側和下側箱體上的壓力，從而避免過多的剪切構件，并且缺點是該部分被分成過長的現(xiàn)場對接焊縫。因此，具體結構的實際設計，還要分析和比較各種形式，根據(jù)每個部件的重量和制造工藝等因素來全面確定。

在確定雙層殼的寬度時，將闡明雙層結構的最小寬度，需要雙層殼體，即內(nèi)外壁寬度的雙層結構不得小于1米，不論雙層結構的形式如何，以上開口處的最小間隙不得小于600mm;如果使用的是垂直股價的雙殼結構的話則需要重視縱向肋骨之間的最小間距，其最小間距應當不能超過八分米，與此同時肋骨的端部到縱向的端部之間支架或者鎧裝都可以放寬到六分米左右的最小間距限制，這樣才能夠有效的確保雙殼船體有著足夠的結構強度，進而實際進行運輸?shù)倪^程中就會有著更高的安全性質(zhì)。設計雙殼體的散貨船的時候需要根據(jù)實際情況下船體的尺寸以及壓載艙的提及等來確定散貨船的寬度以及其中的流量要求。如果使用便攜式散貨船的話，使用1.3米的雙層散貨船為例，則貨艙一定是有著小于5%的損失率的，在此基礎上隨著雙殼寬度的增加，艙室損失會越來越小[5]。

除此之外有人曾經(jīng)考慮使用雙殼分離器來用作空罐和壓載艙，如果將雙殼段用作空段，其優(yōu)點是可以降低段中涂層的防腐蝕成本，但缺點也很明顯，需要單獨添加輔助組件，如聽起來和通風。如果使用雙殼分離作為壓載艙，則壓載水艙可以連接或分離上側和下側艙，由此，消除了由船東制造的單殼散貨船的上側和下側的連接通道。同時，如果總壓載能力滿足重壓載條件，則可以取消作為壓載艙的貨艙設計。因此，可以大大簡化或消除貨艙的局部加固，貨艙的特殊涂層要求和與貨艙壓載物相關的裝甲設計。此外，由于取消了作為壓載艙的貨艙，一些港口解決了一些港口的貨物裝載問題，這可以通過僅在港口設計壓載艙來解決。MSC用于解決結構模型。通過Nastran軟件獲得起重機加固結構的應力值和分布。在三種工況下繪制了起重機基礎加固結構的應力云圖，總結了各構件的最大應力結果。

根據(jù)分布表中的最大應力結果，可得出幾點結論：（1）在兩種情況下，基礎鋼的應力結構相對接近，同一構件在工作條件下產(chǎn)生的壓力較高。（2）在這兩種情況下，起重機基礎加固結構的最大應力位于主甲板上，主要位于主甲板與豎井相交的平面上。由骨料，橫艙壁和縱艙壁引起的應力和位移相對較小。（3）在工作條件下，主甲板的最大應力超過材料的允許應力，并且起重機基座的附加結構大大增強。它在最大負載和正常工作條件下具有非常好的工作效果。

4 結語

本文采用有限元法評估改進的多用途貨船起重機基礎加固結構的強度，評估結構的強度，優(yōu)化其高應力區(qū)域。根據(jù)分析，產(chǎn)生的最大應力鋼筋結構的起重機基礎優(yōu)化主要是集中在飛機的前主甲板起重機圓柱相交，并且在工作條件下結構產(chǎn)生的最大應力超過材料的允許應力。基于最小原則的修改，因此，起重機基礎的鋼筋結構優(yōu)化的區(qū)域高應力的位置，主甲板和起重機管的厚度增加，并且扁平鋼沿深度方向添加在鏟斗中。有效地減小了優(yōu)化的應力值，其中起重機底座加強結構的部件滿足規(guī)范要求，并且加強結構的強度足以確保起重機的安全操作。

參考文獻

[1] 田立勇，隋然，宋振鐸，等.基于有限元法的固體充填液壓支架底座結構參數(shù)優(yōu)化[J].機械設計，2018（2）：98-104.

[2] 張英，徐江平，曾剛.橋式起重機主梁穩(wěn)健優(yōu)化設計[J].起重運輸機械，2018（2）：76-80.

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[5] 葉舟，周偉，詹培，等.海上漂浮式風力機Spar平臺結構優(yōu)化設計探究[J].水資源與水工程學報，2018（2）：156-162.