13 000 kN自航起重船扒桿強度校核

徐逸舟，陳 琴

(1.鎮江市地方海事局，江蘇 鎮江 212003；2.鎮江技師學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

起重船是一種用于水上起重作業的工程船舶的總稱，又常被稱為浮吊、浮式起重機。目前常見的起重船多為非自航式，也有在役的自航式起重船。起重船按照起重設備區分主要有旋轉式和固定式。自航旋轉式起重船用于調遷頻繁的工地，一般配有副鉤，吊桿可以變幅。固定式起重船一般用于集裝箱等重大件貨物的調配，配有副鉤，其起升高度與工作幅度依作業需要而定[1]。按照起重臂工作幅度區分，起重船可以分為360°回轉與固定方向兩大類。后者起重臂方向的調整主要有拖輪拖帶轉向和船向各個方向拋錨兩種方式，通過錨鏈向各個方向牽拉，從而實現重物的回轉。360°回轉起重船結構和起重臂機械構造非常復雜，而且起重能力相比較小，多用于水上起重和吊裝作業，一般為非自航。通常情況下，起重作業頻繁的起重船為自航式，其起重機可旋轉，吊重特大件時，可用兩個起重船合并作業。

起重機按其占用空間面積分為小型、中型、大型、巨型四類，其中大型起重船和巨型起重船的起重臂可以調動30 000 kN以上的重物達100 m以上，工作效率高，但成本高、造價昂貴，因此工作一段時間后的檢修、維護價格也非常高。

為了保證已經服役多年的13 000 kN起重船的安全性能，本文利用Patran/Nastran軟件對其進行有限元分析，獲得起重船扒桿角度為12°、45°、70°工況條件下結構的最大應力，并通過對比分析不同工況下最大應力和許用應力，判斷結構強度是否滿足相關規范的規定，從而評判該起重船能否繼續服役。

1 起重船概況及實驗方案設計

1.1 起重船概況

本文研究對象為已經服役多年的13 000 kN起重船，根據圖紙通過有限元軟件Patran進行建模。

1.2 方案設計

對13 000 kN起重船的起重臂架進行有限元模型的建立。該起重臂架為兩個箱型結構組成，箱型結構內部有縱向骨材及橫向骨材；吊鉤分為主勾與副勾。有限元分析計算可以求得最大應力，在最大應力滿足許用應力的基礎上，可以初步確定該起重船是否可以繼續服役。

2 有限元分析

2.1 起重臂架有限元分析模型

起重臂架分為5部分：兩端為箱形框架結構，腹板、面板和隔板均采用4節點2D平面單元，T型材采用1D梁單元。有限元模型見圖1。有限元模型的節點總數為52 646個，單元數目為59 780個。模型材料：彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7.85 t/m3。

由于起重臂架較長，為了方便在應力云圖上截取時能看清其最大應力所在位置，將起重臂架分為5個部分：1-1、1-2、1-3、1-4和1-5。起重臂架結構構件的劃分見圖2。

圖1 有限元模型

圖2 起重臂架結構構件的劃分示意圖

2.2 邊界條件

整個計算模型的邊界條件如下：

(1)起重臂架根部邊界條件見圖3。軸套內圈前部與起重臂架中面相交線上節點沿X方向加速度uX=0，沿Z方向加速度wZ=0，沿Y方向加速度vY=0。

圖3 頂部約束條件示意圖

(2)起重臂架頂部邊界條件見圖4。由于缺少頂部吊環圖，改用一個面的節點進行約束，會有少量的應力集中，不予考慮[2]。

圖4 頂部約束條件示意圖

2.3 計算工況

2.3.1 工況1

工況1為起重機過橋(起重機臂桿放到傾角為12°位置，不考慮船舶橫傾、縱傾及風等因素)。本工況采用設計載荷，過橋工況是起重船必須要考慮的工況。

2.3.2 工況2

工況2為起重機處于放置狀態(起重臂架角度為45°，不考慮船舶橫傾、縱傾及風等因素)。起重船在吊裝過程中可能會處于放置狀態，本文取起重臂架處于最危險45°的情況，基本可以涵蓋所有放置狀態。

2.3.3 工況3

工況3為起重機處于工作狀態(起重臂架角度為70°，不考慮船舶橫傾、縱傾及風等因素)[3] 。本文研究的起重船最大起吊角度為70°，采用最極限吊角70°進行分析。

2.4 許用應力

起重結構件許用應力[σ]按下式計算：

式中:σs為鋼材的屈服強度，σs=345 MPa(材質為Q345B)；β為系數，根據《船舶及海上設施起重設備規范》(2007)(簡稱《起重規范》),鋼材的屈服比用插入法計算得β=1.030 6；n為安全系數，根據實際工況定義按《起重規范》第2章表2.3.16.1選取，見表1。

許用應力[σ]的計算值見表1。

表1 安全系數及許用應力值

2.5 典型狀況下的結果匯總

2.5.1 計算結果匯總表

起重臂架分為外部板結構和內部加強筋。為了便于分析，將起重臂架分為外部板結構和內部加強筋。編號為1-1及1-1內，其余分段類似。典型狀況下的最大應力值見表2。在1-5分段內，由于圖紙的不完整以及載荷施加原因造成應力集中現象，在實際工作時不存在如此集中的應力，不予考慮。

表2 典型狀況下的最大應力值

2.5.2 工況1應力云圖

通過MSC.Nastran的計算分析得到應力云圖，本文選取典型的構件進行分析。桿角度12°構件1-1和構件1-2以及構件1-5部分應力圖見圖5～圖7。從圖中可以清楚看出，最大應力以及最大應力的部位，即圖中的圓圈位置，為補強和檢修提供了比較切實可行的依據。

圖5 工況1構件1-1應力圖

圖6 工況1構件1-2應力圖

圖7 工況1構件1-5應力圖

2.5.3 工況2應力云圖

起重臂架角度45°構件1-1應力圖見圖8。由于應力云圖和工況1類似，本文選擇構件1-1進行分析，得到的應力較大處和工況1類似，最大應力為圖中圓圈位置。

圖8 工況2構件1-1應力圖 2.5.4 工況3應力云圖

起重臂架角度70°構件1-1應力圖見圖9。和工況2類似，應力較大處基本處于同一位置，最大應力為圖中圓圈位置，所以該起重船在之后的檢修以及加強位置可以考慮本文得到的應力較大的地方。

圖9 工況3構件1-1應力圖

3 結論

從計算結果匯總表中可知：

(1)1-5區域應力較大，區域都是在滑輪與起重臂架箱體的連接處, 這是由于加載產生的應力集中現象。而實際結構中考慮到了局部加強問題，結構強度滿足要求。

(2)由應力圖可知，中間部分的應力主要在40.1～157 MPa之間。1-1和1-2構件上部板材應力較大，而1-3和1-4構件下部板材應力較大，但都在許用應力以內。

(3)內部構件的強度滿足要求。得到應力較大處可以進行相應的加強，從而使該船繼續服役。