58m起重船有限元強度計算

許君林

摘 要：起重船作為一種工程船舶，在行業內具有一定的地位與價值，可滿足航道架橋、打撈沉船、肅清阻礙等任務要求。本文根據中國船級社《國內航行海船建造規范》的相關要求，利用MSC.Patran/Nastran 軟件對一艘58m 起重船進行橫向強度建模和計算，驗證船舶設計的安全性。

關鍵詞：起重船;有限元計算;橫向強度

海洋是人類生存與發展的資源寶庫，人類社會正在以全新的姿態向海洋進軍[1]。我國有漫長的海岸線、300萬平方公里的海洋國土。海洋事業的發展步伐一直在加快，人們開始注重深海的開發，在海洋工程建設過程中，各種特種船舶在海洋工程建設中發揮的作用日益重要[2]。起重船是專門用于起重的工程船， 又稱浮吊，是海洋工程建設的重要工程船舶，是海洋開發的必備工具[3]。然而由于起重船特別的工作形式，其船體構造和所受載荷存在著不同于其它類型船舶的特點。因此有效的對起重船的結構進行強度分析在設計過程中起到了非常重要的作用[4]。

本文根據中國船級社《國內航行海船建造規范》[5]（2018 及 2019 修改通報）12.1.3.7 的規定，對于B/ D大于3的箱型駁船，按照第二篇第十二章中附錄“箱型駁船橫向強度校核方法”，運用 MSC.Patran/Nastran 軟件進行建模，采用三維有限元模型，用直接計算校核其橫向強度。

1 起重船主尺度

該船的總長為58.00m，垂線間長為56.29m，型寬21.00m，型深4.20m，吃水1.90m肋距0.5m，甲板載荷5t/m2，起吊荷重453t。

2 有限元模型

2.1結構模型

運用 MSC.Patran/Nastran 軟件進行建模及計算。采用三維有限元模型，根據《國內航行海船建造規范》（2018及2019修改通報）中第二篇第十二章中附錄“箱型駁船橫向強度校核方法”3.1.1 規定，模型橫向范圍選取為整個船寬，艙段模型的縱向范圍從#70肋位到#86肋位（兩端的橫艙壁包括在模型內）;垂向范圍為整個型深。其中甲板、艙壁等平板結構用板單元模擬，肋板、船底龍骨、甲板縱桁、甲板強橫梁、舷側縱桁、舷側強肋骨、艙壁垂直桁等腹板用板單元模擬，面板用梁單元模擬;其它小的骨材及支柱用梁單元模擬。

有限元模型有節點13365個，單元19717個。模型材料：彈性模量 E=2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7.85t/m3。有限元模型如圖1和圖2所示。

2.2 坐標系

取直角坐標系，坐標系統原點0位于Fr72號船底中線處，X軸向船艏為正方向，Y軸向左側舷為正方向，Z軸向上為正方向。

2.3 邊界條件位置

根據《國內航行海船建造規范》（2018 及 2019 修改通報）中第二篇第十二章附錄 3.1.3.1 規定，模型的兩端（簡稱A端和B端）均需約束。詳細邊界條件見表1。

3 計算工況及載荷

3.1 計算工況

根據《國內航行海船建造規范》（2018 及 2019 修改通報）中第 2 篇第 12 章附錄 2.1.2 規定如下：為考慮橫浪作用沿船長局部范圍內產生的效果，在計算工況中采用施加于兩舷的不對稱舷外水壓力來模擬。可假定一舷側受到靜水壓力和波浪壓力的疊加作用，另一舷側受靜水壓力和反向波浪動壓力的作用。

考慮以下兩種工況：

（1）對稱工況：甲板最大許用荷載+舷外靜水壓力+由外向內作用的兩舷對稱受壓的波浪動壓力;

（2）非對稱工況：甲板最大許用荷載+舷外靜水壓力+一舷由外向內、另一舷由內向外作用的反對稱波浪動壓力。

3.2 舷外水壓力

根據《國內航行海船建造規范》（2018 及 2019 修改通報）中第 2 篇第 12 章附錄 2.1.2 規定如下：

舷外水壓力由靜水壓力和波浪水動壓力兩部分組成：

3.3 許用應力

根據《國內航行海船建造規范》（2018 及 2019 修改通報）第 2 篇第 12 章附錄 4.2.1.1 規定，對于板單元，強肋骨腹板、縱艙壁垂直桁腹板的板單元相當應力σe為170N/mm2，基于腹板總高度的平均剪切應力τ無要求;甲板強橫梁腹板、船底肋板的板單元相當應力σe為170N/mm2，基于腹板總高度的平均剪切應力τ為90N/mm2。對于梁單元和桿單元，模擬橫框架強構件腹板上面板的梁單元或設置在橫向構件上的梁的正應力σrod為170N/mm2，橫向桁架撐桿的橫向桁架撐桿σrod為141N/mm2。

4 強度評估

根據《國內航行海船建造規范》（2018 及 2019 修改通報）第 2 篇第 12 章附錄 4.1.1.1 規定，有限元的結果評估取值范圍應基于模型中的一個橫向強框架。計算結果選取各強框架最大值進行應力評估，各主要構件的計算結果如下：

（1）強肋骨腹板：在載荷工況1中，相當應力為111N/mm2，在載荷工況2中，相當應力為111N/mm2， 相當應力最大的位置為Fr78 肋位，強肋骨與強橫梁相交處;

（2）強肋骨腹板上面板梁單元：：在載荷工況1中，相當應力為67.6N/mm2， 在載荷工況2中，相當應力為67.7N/mm2， 相當應力最大的位置為Fr78 肋位，舷側強肋骨與強橫梁相交處;

（3）縱艙壁垂直桁腹板：在載荷工況1中，相當應力為26.5N/mm2， 在載荷工況2中，相當應力為25.3N/mm2， 相當應力最大的位置為Fr78 肋位，強肋骨與強橫梁相交處;

（4）縱艙壁垂直桁腹板上面板梁單元：在載荷工況1中，相當應力為22.4N/mm2，在載荷工況2中，相當應力為22.7N/mm2，相當應力最大的位置為Fr78 肋位，縱艙壁垂直桁與實肋板相交處;

（5）甲板強橫梁腹板：在載荷工況1中，相當應力為39.3N/mm2，剪切應力為16.8N/mm2，在載荷工況2中，相當應力為39.3N/mm2，剪切應力為16.7N/mm2，相當應力最大的位置為Fr78 肋位，甲板強橫梁與縱艙壁垂直桁相交處;

（6）甲板強橫梁腹板上面板梁單元：在載荷工況1中，相當應力為38.2N/mm2，在載荷工況2中，相當應力為42N/mm2，相當應力最大的位置為Fr78 肋位，甲板強橫梁與縱艙壁垂直桁相交處;

（7）船底實肋板：在載荷工況1中，相當應力為42.8N/mm2，剪切應力為17.7N/mm2，在載荷工況2中，相當應力為44.4N/mm2，剪切應力為16.9N/mm2，相當應力最大的位置為Fr78 肋位，實肋板與船舭部相交處;

（8）船底實肋板上面板梁單元：在載荷工況1中，相當應力為35.4N/mm2，在載荷工況2中，相當應力為28.6N/mm2，相當應力最大的位置為Fr78 肋位，實肋板與垂向撐桿相交處;

（9）支柱及橫向桁架撐桿：在載荷工況1中，相當應力為105N/mm2，在載荷工況2中，相當應力為105N/mm2，相當應力最大的位置為Fr78 肋位，垂向撐桿與實肋板相交處。

部分結構的在最危險工況下的應力云圖如圖3-6所示。

5 結論

通過對主要結構構件的應力分析和變形匯總，發現本船的應力和變形都在法規允許范圍內。

經過橫向強度評估分析，可以得出結論：本船橫向強度滿足《國內航行海船建造規范》（2018 及 2019 修改通報）附錄“箱型駁船橫向強度校核方法”中相關要求，因此可滿足各工況下的作業強度要求。

參考文獻：

[1]陳婷，張琳琳，楊榮升.海洋經濟發展與生態文明[J].人民之聲，2013（07）：29-32.

[2]金月. 起重船動力定位系統控制技術研究[D].江蘇科技大學，2017.

[3]張飛達.內河起重船變幅扒桿強度有限元分析[J].中國水運（下半月），2016，16（10）：92-94.

[4]尹睿. 1200t起重船結構強度分析[D].江蘇科技大學，2018.

[5]中國船級社.國內航行海船建造規范[M].北京：人民交通出版社，2018.