90 m起重船上層建筑甲板結構強度的仿真與分析

錢俊林，項國飛，王慶豐，徐 驍

(1.如皋市交通運輸綜合執法大隊，江蘇 如皋 226500；2.江蘇大洋海洋裝備有限公司，江蘇 南京 210032；3.江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

起重船按照起重能力、工作海域及船體結構可分為半潛式起重船和浮式起重船2種。起重船在海上作業、橋梁建筑、海上風機安裝等各類海洋工程中都有廣泛的應用。隨著船上配備的吊機等設備的不斷更新，使得起重船擁有更大的吊裝能力及自航能力，可以適應絕大多數的海況條件并完成作業。現如今各類海上風電裝備的安裝與維護作業對進行相關作業起重船的需求量隨之增加。起重船的結構強度是衡量起重船安全性的主要指標之一，但大多相關文獻研究的是起重船甲板在單一載荷作用下的結構強度。本文對某90 m起重船的上層建筑結構在直升機載荷、行車載荷及兩者聯合載荷的作用下使用有限元分析方法進行結構強度計算并進行校核，針對相關計算校核中經常忽略的載荷的聯合作用的問題提出了一種研究方法。

1 起重船的結構特點

90 m起重船的設計參數為：垂線間長90.00 m，型寬27.00 m，型深6.00 m，設計吃水4.35 m。上層建筑甲板位于船艉一側。上層建筑甲板設計有直升機甲板，可以滿足起飛重量49 kN、螺旋槳直徑14 m的EC155B1型直升機的作業要求，并且在直升機停靠的同時該甲板依然可以進行行車作業(行車自重160 kN，吊升160 kN，總重320 kN)。這對上層建筑甲板的設計強度提出了較高的要求。本文主要利用PATRAN軟件對上層建筑甲板在直升機和行車載荷聯合作用下的結構強度進行有限元分析，對甲板的結構強度進行校核，驗證設計的可靠性。

2 有限元結構模擬

2.1 有限元方法基本步驟

(1)將研究對象劃分為由足夠多數量單元體組成的整體。

(2)根據不同計算區域可以將目標函數進行劃分，得到域函數。

(3)通過上一步的表達，可以將有限元分析向數值分析方法進行轉化，從而解決相關問題。

(4)求解域的計算近似值得到的差值函數為近似解。當滿足收斂的條件后，得到的解可以作為精確解。

2.2 結構模型

模型坐標系采用右手笛卡爾坐標系：

X

軸沿船體縱向指向船首，

Y

軸沿船寬方向指向左舷側，

Z

軸從船體基線垂直甲板向上。跳板面板、封板和主要縱向橫向隔板采用四邊形的殼單元進行建模，縱向骨材采用梁單元進行建模。單元體的尺寸控制在100 mm×100 mm。材料采用線彈性材料本構模型。上層建筑結構有限元模型見圖1。

圖1 上層建筑結構有限元模型示意圖

2.3 邊界條件

模擬上層建筑甲板在直升機和行車2種載荷聯合作用時的情況。進行模擬計算時，在模型底部(上層建筑與甲板連接處)施加載荷，用以控制上層建筑的位移，模擬船體結構對上層建筑的支撐作用。模型約束條件見圖2。

圖2 模型約束示意圖

2.4 載荷與工況

根據中國船級社《鋼質海船入級規范》(2018)第2篇船體部分第1章第5節直接計算及第2章第18節直升機甲板的有關要求，對目標船上層建筑甲板在直升機和行車載荷聯合作用下的結構強度進行有限元計算。

2.4.1 載荷情況

(1)結構自重

模型的結構自重采用重力加速度進行模擬。

(2)行車重量

行車重量為160 kN，考慮1.2倍的動載荷系數，分別作用在上層建筑中間位置并且在兩側同時進行加載。行車載荷加載位置見圖3。

圖3 行車載荷加載示意圖

(3)直升機載荷

按照規范要求：直升機載荷為甲板均布載荷2 kPa。直升機均布載荷示意圖見圖4。直升機降落載荷為7 kPa，取兩輪同時落地的情況，兩輪間距取1.5 m，作用在中間位置；直升機系留載荷為5 kPa，取兩輪同時落地的情況，水平和垂向的慣性載荷取0.5倍自重。系留載荷示意圖見圖5。

圖4 直升機均布載荷示意圖

圖5 直升機系留載荷示意圖

(4)環境載荷

按規范要求，環境載荷取0.5 kPa。

2.4.2 工況組合

按照規范要求，對甲板均布載荷、直升機著陸和系留3種工況條件進行整合。工況組合見表1。

表1 工況組合表 單位：kPa

3 模擬計算

3.1 屈服強度計算

將以上3種工況條件進行模擬計算，分別計算上層建筑結構整體的形變量與應力，隨后在此基礎上對上層建筑甲板應力做更有針對性的應力分析，同時對上層建筑甲板的主要構件進行計算。結果發現：甲板結構中心位置形變量最為明顯，LC1工況條件下最大形變量為4.58 mm，LC2工況條件下最大形變量為4.92 mm，LC3工況條件下最大形變量為6.40 mm，并且3種工況條件都呈現形變量從甲板邊緣向中心逐漸變大的趨勢。

在3種組合工況的條件下，每一種工況條件下發生最大應力的位置都是位于行車載荷施加的位置，但是3種工況條件下產生的最大應力值各不相同：LC1工況條件的最大應力值為29.3 MPa，LC2工況條件的最大應力值為28.0 MPa，LC3工況條件的最大應力值為28.7 MPa。對上層建筑整體的應力進行分析后有必要對上甲板應力進行單獨研究，對其在3種組合載荷工況條件下應力進行分析。

對上甲板區域整體應力進行分析可以得到：3種組合工況條件下應力極值發生的位置基本相同，但是各個工況條件的應力最大數值互不相同，數值與上文結構總體應力分析中的數值結果相同，遂對甲板主要構件進行應力分析。

在3種組合工況條件下，其主要構件應力各不相同，在LC3組合工況條件下，上甲板主要構件的應力最大。將以上上層建筑結構的屈服模擬計算數據進行整理，根據《鋼質海船入級規范》(2018)要求，對計算結果進行校核，其結果見表2。

表2 結構屈服強度校核

綜上，該90 m起重船上層建筑結構及其上層建筑結構甲板的屈服強度均滿足規范要求。

3.2 屈曲強度計算

為了進一步驗證船體結構強度，需要對舷側區域進行屈曲強度的計算分析。舷側結構屈曲計算因子云圖見圖6。

由圖6中可知：最小計算屈曲因子為4.94，規范要求計算屈曲因子應大于許用值1.0，因此該起重船的舷側區域屈曲強度滿足衡準要求。

圖6 舷側結構屈曲計算因子云圖

4 結論

通過對90 m起重船上層建筑結構在直升機載荷、行車載荷及兩者聯合載荷的作用下進行結構強度計算，對甲板的屈服強度和舷側結構的屈曲強度進行校核，得到的結論如下：

(1)該船的上層建筑結構能滿足規范所描述的直升機作業場景下的結構強度要求。

(2)在分析起重船考慮直升機與行車聯合載荷共同作用下的結構強度時，使用有限元分析的方法可以更為直觀地得到計算結果。并且在此基礎上可以對結構整體及主要構件分別進行強度分析，使結果的可靠性進一步提高。

(3)有限元模擬計算不僅可以校核屈服強度，還可以校核各個結構的屈曲強度，從而在保證精確性的基礎上減少校核步驟，提高工作效率。