裝船機海上運輸剛性系固方案校核研究

左惟東 蔣祁珺

1 中外運沙倫氏物流有限公司 上海 200120；2 中國外運大件物流有限公司 上海 200120

大型裝船機、海上石油開采設備等大型重工設備普遍具有重心高、質量大的特點，若不能針對貨物采取適當積載和有效系固，會導致貨損的發生。對這類貨物系固方案進行有效性校核是海運安全中極為重要的環節。傳統的剛性系固方案校核計算前提是假定整個設備平均受力。但是實際操作中，系固設備的受力相對復雜，并不是簡單的均勻受力，且該剛性系固校核方法忽視了船體和重大件設備結構強度的影響。剛性系固方案的校核應包括載運船舶、重大件設備及其剛性系固桿件三個方面。當三者的強度均滿足要求時，方可判定該系固方案是安全有效的。針對某一裝船機海運系固方案，借助ANSYS 軟件對載運船舶、裝船機主機和系固桿件進行分析計算，結果顯示該系固方案安全可靠。

1 船舶與貨物資料

該案例中采用一艘經改裝后正常營運的甲板駁船，船舶資料如表1 所示。所載運的重大件貨物為裝船機分段，包括主機兩部分及尾車兩部分，如圖1 所示。

圖1 裝船機積載圖

表1 甲板駁船資料

NO.1 號主機為最危險的對象，所以選取NO.1 主機作為校核對象，其長度為17.00m、寬度為51.25m、高度為26.46m、運輸重量為1230.7t。

2 貨物剛性系固方案

No.1 號主機通過螺旋鋼管與船體甲板焊接為一體，它有四個主腿，每個主腿上由三根螺旋鋼管- 插板組合成的系固設備進行剛性系固，共計12 個系固設備。該螺旋鋼管的材質為Q235，規格分別為：Φ920×12、Φ820×10。插板的材質為Q345。

3 邊界條件

根據中國船級社《海上拖航指南》中對外力的計算方法，NO.1 號主機所受橫向風壓力為561.8kN，縱向風壓力為370.3kN；橫向波濺力為32kN，縱向波濺力為46kN；橫向加速度為5.54 m/ s2，縱向加速度為1.38 m/ s2，垂向加速度為3.0 m/ s2。

4 裝船機結構強度校核

4.1 模型建立

采用實體建模，對裝船機NO.1 主機及結構加強桿件系統進行分析，模型建立中所使用的材料為結構鋼，彈性模量為2.06×1011N/ m2，泊松比為0.3。裝船機有限元模型如圖2 所示。

圖2 裝船機有限元模型

4.2 分析結果

通過ANSYS 對六種工況下的系統求解，各工況下的應力云圖如圖3 所示。根據分析結果可知，采用螺旋鋼管對貨物整體的結構進行加固后，系統整體的應力極值主要分布在裝船機臂架下端的加固桿上，應力極值均小于材料的許用應力。因此，判定裝船機結構強度是滿足要求的。

圖3 各工況下的應力云圖

5 系固桿件結構強度核算

5.1 模型建立

建立螺旋鋼管和插板的有限元模型時，為了使分析計算結果精度更高，對模型的細節部分進行了還原，如倒角、小孔。剛性系固桿件(螺旋鋼管和插板的組合)的有限元模型如圖4 所示。

圖4 系固桿件有限元模型

5.2 邊界條件

對各綁扎件所受軸向力分析發現，受力最大的綁扎桿件為E5- 2 螺旋鋼管，其所受拉力值最大：FX=2967400N，MY=54390000N·mm，MZ=2.61×108N·mm。

5.3 分析結果

對螺旋鋼管和兩端的插板進行分析計算，結果如圖5 所示。由圖可知，綁扎件的應力極值均在桿件材料的安全負荷范圍內，桿件的強度滿足安全需求。桿件最危險工況的校核結果發現，應力極值均發生在螺旋鋼管與插板連接處，且表現為應力值急速上升，故應將該處視為危險點，可施加應力釋放孔來降低該處的高應力值，緩解應力集中。

圖5 綁扎件應力云圖

6 船體局部強度校核

6.1 模型建立

案例中的船型規模：縱向范圍為28132mm，橫向型寬32261mm，單側14 根縱骨，縱骨間距640mm，單側8 根旁桁材，肋骨間距1380mm。建模時對船體作了簡化處理，部分小開孔忽略不計。船體結構均為結構鋼，彈性模量為2.06×1011N/ mm2，泊松比為0.3，材料密度為7.85g/ cm3。根據船舶圖紙，本船的艙段有限元模型如圖6 所示。

圖6 艙段有限段模型

6.2 分析結果

船體部分六種不同的載荷工況，再加載靜水壓力和自重載荷，求解，分析結果的應力云圖如圖7 所示。由圖可見，船體結構應力分布均勻，應力極值最大為74.3MPa，各結構件均未超過其許用應力值，表明該船舶的局部強度滿足規范的要求。

圖7 船舶艙段應力圖

綜上所述，基于ANSYS 的NO.1 號主機剛性系固方案校核結果顯示：NO.1 號主機結構強度、剛性系固設備強度和局部船體強度均滿足規范要求。因此，NO.1 號主機的剛性系固方案安全有效。

7 結束語

基于直接計算法對裝船機系固方案進行校核是一套行之有效的辦法，且借助計算分析軟件分別對裝船機、載運船舶和系固件的強度進行分析，能夠準確反映結構件的強度薄弱區域，進而提出針對性的結構改良措施，確保整個系統在海上運輸過程中強度均滿足要求，進一步保證了海上運輸的安全性。此校核辦法在實際工程中具有較強的實用性，可推廣至重大件設備海上運輸系固方案的校核。