起重船旋轉吊機的布置及支撐結構設計

馬亮　蔣晟梧　李明明

摘? ? 要：對于水上起吊作業工程船，其工作甲板上會設置旋轉吊機作為主要工作設備，對其工作環境有嚴格要求，而且需要做足夠強度的支撐加強。本文敘述了通過有限元建模進行吊機支撐結構的直接計算，校核吊機的船體支撐結構是否滿足CCS《鋼質海船入級規范》及其修改通報、CCS《船舶與海上起重設備規范》及CCS《油船結構直接計算分析指南》的強度和屈曲要求，為相關技術人員在結構設計中提供參考。

關鍵詞：旋轉吊機;筒體支撐;有限元

中圖分類號：U663.7 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： For the lifting engineering ship， a rotary crane is arranged on the main deck as the main work equipment， which needs strict work environment such as wind speed and to be supported by steel structure in the hull of enough strength. This paper describes the direct calculation by using FEM to check if the crane support structure in the hull meets the strength and buckling requirements of CCS Rules for the classification of Seagoing Steel Ships， CCS Specification for Ships and Offshore Lifting Equipment and CCS Guide for Direct Calculation and Analysis of Tanker Structure， which will provide reference for the related technical personnel in the structural design.

Key words：Rotary crane; Cylinder support structure; FEM

1? ? ?前言

在客船、工程船的甲板上往往會設置旋轉吊機。客船上的旋轉吊機主要是用來起吊救生設備，它通常位于尾部的左右兩舷，緊鄰救生艇，方便救生艇的起吊。該吊機只是用來起吊救生艇，往往是由設備廠家和救生艇一起提供的，故其甲板下加強往往是和救生艇設備一起按甲板設備進行整體加強。

對于專門的水上起吊作業工程船，旋轉吊機是其主要工作設備，對起吊能力要求較高，對工作環境也有嚴格的要求，尤其是風速、橫搖與縱傾角度。根據布置不同，吊機可位于船首、船尾或船中。旋轉吊機通常設置在橫艙壁、縱艙壁或縱橫艙壁相交處，若無艙壁，則需在甲板下設置足夠強度的支撐結構。本文以某航標工作船為例作詳細介紹。

2? ? ?旋轉吊機的布置及支撐方式

2.1? ? 位于船首的旋轉吊機支撐

（1）吊機的布置

某航標船（甲）首部主甲板為作業區，在首部中縱剖處設1 t電動液壓變幅旋轉吊機，吊機所在甲板下布置有橫艙壁。

（2）吊機的支撐結構

旋轉吊機筒體焊接在甲板上，并在筒體底部均布12個肘板;吊機所在甲板下作筒體支撐，其直徑、厚度與吊機筒體相同;筒體在艙壁處斷開，筒體內橫艙壁開一人孔，筒體與艙壁焊接，確保水密;船底設一直徑與筒體相同的環形T型梁，筒體焊接在環形T型梁的面板上。

2.2? 位于船尾的旋轉吊機支撐

（1）吊機的布置

某航標船（乙）尾甲板為作業區，在尾部中縱剖處設置3 t全回轉液壓起吊機，其所在甲板下設有橫艙壁。

（2）吊機的支撐結構

采用筒體支撐加強，筒體的直徑、厚度與吊機筒體相同;甲板開孔，加強筒體穿過甲板直達船底;船底處設與筒體直徑相同的環形T型梁加強，筒體與T型梁面板焊接，加強筒體與橫艙壁進行雙面焊接，使其水密;加強筒體上部與吊機筒體通過法蘭連接。

2.3? ?位于船中部的旋轉吊機支撐

（1）吊機的布置

某航標船（丙）中后部為工作區，在中部中縱剖處設置3 t全回轉液壓起吊機，主要參數為：安全工作負載3 t、回轉半徑7 m、工作允傾橫傾角度≤10°、縱傾≤4°，最大風速（工作時）≤20 m/s。

（2）吊機的支撐結構

采用筒體支撐，筒體直徑、厚度與吊機筒體相同;甲板開孔，加強筒體穿過甲板直達船底與船底板焊接;加強筒體上部與吊機筒體通過法蘭連接。

3? ? 旋轉吊機的船體支撐結構計算

以上述航標船（丙）布置在船中的3 t旋轉吊為例，說明如何進行船體支撐結構計算。

參照相關結構圖紙，利用有限元軟件MSC PATRAN/NASTRAN建模，通過直接計算的方法，校核船舯部旋轉吊機船體支撐結構強度能否滿足CCS的相關規范要求。

3.1? ?有限元建模

3.1.1? 計算坐標

X方向：以船長方向作為計算坐標的X方向，以船首方向為正向;

Y方向：以船寬方向作為計算坐標的Y方向，以縱中剖面往左舷的方向作為正向;

Z 方向：以型深方向作為計算坐標的Z 方向，以垂直向上方向作為正向。

3.1.2? 有限元模型的范圍

縱向：FR19～FR29

橫向：左舷舷側至右舷舷側;

垂向：船底實肋板面板～ 機艙頂棚，并往上延伸至起重柱的支撐圓筒頂端。

3.1.3? 模型

本模型主要用板殼單元Quad4建模，用三角形單元Tri3、梁單元Bar2輔助建模;有限元網格按肋骨間距與縱骨間距的1/2劃分。

起重柱與主船體結構相連接區域構件交錯較多，結構較為復雜，為較好觀察多個構件相交所造成的高應力部位的影響，適當細化起重柱與主船體結構相連接區域的網格，細化后網格為原尺度的1/4～1/2。

本計算將起重柱的支撐圓筒結構納入計算模型。但對于該支撐圓筒的結構強度不做校核，僅僅是為了減小模型邊界約束的影響并傳遞荷載，如圖1所示。

3.1.4? ?結構材料的特性

起重柱為高強度鋼AH36，其余為船用普通鋼。

3.1.5? ?單元屬性

模型中，將單元Quad4 、Tri3的屬性定義為Shell;將Bar2 梁單元的屬性定義為Beam，且注意偏心。

根據相關規范要求，仍需校核支撐結構的抗屈曲能力。為方便屈曲強度的評估，除起重柱不作校核外，全都將減薄厚度1.0 mm除去。

3.1.6? 邊界條件

根據相關規范要求，并考慮本模型的實際情況，對本計算模型設置約束條件，如表1、圖2所示。

3.2? ?載荷條件

本模型的載荷主要包括：旋轉吊機的自重、吊機起升產生的載荷、回轉加速產生的水平載荷、風壓載荷與運動載荷。

3.3? 工況載荷組合

本計算假定本船的作業工況屬于規范所定義的標準作業工況。旋轉吊機下船體結構左右對稱，以回轉中心和甲板面的交點為原點，將載荷作用的方向定義與計算模型建模所設置的坐標方向相同。

對旋轉吊起重機，分別設置以下幾種作業情況：

（1） 起重機工作、縱向起吊、起重臂在XOZ 平面內作業，起重臂指向船尾方向;

（2） 起重機工作、橫向回轉起吊、起重臂在YOZ 平面內作業，起重臂指向船左舷方向;

（3） 起重機工作、水平回轉、回轉方向由船尾旋轉至左舷，或由左舷旋轉至船尾;

（4） 風壓載荷作用，沿縱向時其方向由船首指向船尾，沿橫向時其方向由船右舷指向左舷。

根據規范要求，旋轉吊機下的船體支撐結構強度計算，應考慮如下幾種工況：

（1）吊機在無風狀態下正常作業;

（2）吊機在有風狀態下正常作業;

（3）吊機不作業、船舶運動。

工況的組合載荷，詳見表2。

3.4? 計算結果

本模型計算的結果，以應力云圖的形式顯示。在各作業工況下船體支撐結構各主要構件的應力，主要有剪切應力、正應力、von-Mises應力等，如圖3所示。

3.5? ?強度及屈曲校核

3.5.1 安全系數

根據規范要求，不同作業工況下計算應力應不大于構件的許用應力值;對本項目中位于三面相交角隅位置并與支撐筒體直接相連的板單元，von Mise 應力的安全系數取為1.15，正應力與剪應力的安全系數可相應減小。

本船結構構件強度校核的安全系數，如表3 所列。

3.5.2? 許用應力

根據相關規范要求，許用應力通常不超過表4的值;此外，可以不采納形狀很差和應力集中的單元應力。

表4中k為材料換算系數。起重柱的筒體為AH36 高強度鋼，取k = 0.72;其它結構構件為普通船用鋼，實取 k =1.0。

3.5.3? 強度校核

旋轉吊機下船體支撐結構的應力計算結果，如表5 所列：

由表5可知，旋轉吊機下船體支撐結構的強度滿足相關規范的要求，且有一定裕度。

3.5.4? 屈曲強度

屈曲強度評估中，構件的標準減薄厚度取1.0 mm，最小屈曲安全因子取1.0。船體結構的屈曲強度校核，如表6 所列。

由表6 可知：旋轉吊機下船體支撐結構的屈曲強度滿足相關規范要求，且具有一定裕度。

4? ? 結論

對于水上起吊作業工程船，旋轉吊機要盡可能布置在船體的中縱剖面處。其船體支撐結構有不同的方式，但最好采用筒體支撐結構。通過上述計算可以看出，筒體支撐結構能夠很好地滿足規范對強度的要求，并有一定的裕度。

參考文獻

[1]中國船級社.鋼質海船入級規范[M]. 北京：人民交通出版社，2018.

[2]中國船級社.船舶與海上起重規范[M]. 北京：人民交通出版社，2008.

[3]中國船級社.油船結構直接計算指南[M]. 北京：人民交通出版社，2003.