吊桿駁浮式起重機底部加強結構疲勞分析

周勇

摘? ? 要：本文介紹一種配備浮式起重機的的吊桿駁吊機基座底部加強結構疲勞強度的分析方法;并以某集裝箱吊桿駁船為例，通過有限元軟件計算分析浮式起重機回轉各工況的應力水平及應力幅;針對其使用頻率，對比對應的S-N曲線，驗證其是否滿足要求。

關鍵詞：起重機;回轉;有限元分析;疲勞強度;S-N曲線

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

Fatigue Analysis of Crane Bottom Strengthening

Structure for Derrick Barge

ZHOU Yong

（ Jiangmen Hangtong Shipbuilding Co.， Ltd. of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.， Ltd.， Jiangmen 529145 ）

Abstract： This paper introduces an analysis method of fatigue strength of the crane base bottom strengthening structure of the derrick barge. Taking a container derrick barge as an example， the stress level and stress amplitude of the strengthening structure for different slewing conditions are analyzed by finite element software.? According to the its use frequency， the corresponding S-N curve is compared to verify whether it meets the use requirements.

Key words： Crane; Slewing; Finite element analysis; Fatigue strength; S-N curve

1? ? 前言

我司承建的一艘箱型吊桿駁船，為鋼質非自航雙殼駁船，主要裝載集裝箱貨物，航行作業于香港港灣水域。該船首部和尾部右舷主甲板上，分別設置一臺 50 t×45 m 吊機，兩臺吊機可同時進行起吊作業;船體中部為裝載集裝箱的貨艙區域，用于裝載集裝箱船卸下的貨柜;吊機筒體插入船底，筒體與甲板通過縱橫加強構件與主船體結構相連接，如圖1所示。

因港灣內吊桿駁船上的作業吊機工作強度大、作業頻率高，為保證吊桿駁船作業的安全性，不僅需校核吊機加強結構的強度，還需要驗證其與吊機筒體的連接結構的疲勞強度。

主要計算內容包括：計算吊機吊重回轉各工況的重點結構應力水平;評估吊機吊重回轉工況下結構應力循環變化的應力幅;針對結構型式選定合適的S-N曲線;計算對應應力循環次數下的許用疲勞應力;對比實際應力幅與許用疲勞應力，驗證其可行性。因吊桿駁船體結構首尾基本對稱，故只需要分析尾部結構即可。

2? ? ?回轉工況應力分析

2.1? ?吊機筒體結構與船體的連接與加強結構

吊機筒體直徑4 500 mm，筒體從主甲板插入船體底部，在主甲板及船底板處與甲板板架及船底板架連接，并通過縱橫構件進行加強;甲板縱桁與強肋骨在筒體處間斷，并與筒體通過角接焊縫連接，如圖2所示。

2.2? 有限元模型

有限元模型采用局部立體結構模型，如圖3所示。主要結構（如吊機筒體、甲板、甲板縱桁、強橫梁等）均采用ANSYS APDL的shell181 4節點殼單元模擬;次要構件（如甲板縱骨等）用beam188鐵木辛柯梁模擬;模型在艙壁位置采用固端約束;筒體頂部節點通過剛性區域主從節點型式，將筒體上節點約束于中心處，便于施加集中力和彎矩[4]。

2.3? ?設計工況應力計算

由于該吊桿駁船只在香港港灣內從事集裝箱調運作業，波浪載荷以及風荷載對船體結構基本無影響，且首尾吊機分別位于船中0.4 L以外，主要縱向加強結構不參與船體梁總縱強度，故只需考慮局部荷載。

該吊機最大起吊能力為50 t×45 m，考慮試吊110%荷載，即設計最大傾覆力矩為24 255 kN.m;垂向荷載（包括吊機自重及吊重），合計4 410 kN;并以吊臂與船長方向軸線的夾角以45°為間隔，劃分為8個工況[5];回轉力矩與傾覆力矩相比微乎其微，故不作考慮。

根據計算結果，在最大設計工況下，吊機底部加強結構的正應力、剪應力、相當應力均滿足《船舶與海上設施起重設備規范》的相關規定，即結構強度滿足規范要求。

2.4? ?高頻使用工況應力計算

根據吊桿駁作業的統計資料及該吊機的高頻使用工況，在計算實際使用工況下的疲勞強度時，以吊機吊重25 t，回轉半徑40 m作為典型使用工況，同樣以吊臂與船長方向軸線的夾角45°為間隔，劃分為8個工況。

根據計算結果，筒體內甲板縱桁與筒體連接部位以及甲板強肋骨與筒體連接部位的應力變化幅度最大，最容易發生疲勞破壞。典型使用工況下的應力水平，如圖4、圖5所示;各工況最大正應力與最小正應力，如表1所示;最大剪應力與最小剪應力，如表2所示。

3? ? ?結構的疲勞強度計算

3.1? ?疲勞強度的快速計算

根據《船舶設計實用手冊》船舶結構抗疲勞設計相關內容以及《鋼結構設計標準》疲勞計算相關章節，S-N曲線采用英國能源部經過修正的非管節點的基本S-N曲線。

在結構使用壽命期間，當常幅疲勞或變幅疲勞的最大應力幅Δσ和最大剪力幅Δτ符合下列公式時，則疲勞強度滿足要求：

3.2? ?正應力常幅疲勞計算

3.3? ?剪應力常幅疲勞計算

如表1、表2可知，左縱桁和后肋骨的正應力幅最大，分別達到了52.9 MPa和54.0 MPa，后強肋骨的最大剪應力幅達到了38.1 MPa，均未超過許用循環應力的應力幅。因此，吊機在實際使用的典型吊重回轉工況下，能滿足疲勞強度的要求，結構不會發生疲勞破壞。

4? ? 總結

本文根據《船舶與海上設施起重設備規范》、《船舶設計手冊》以及《鋼結構設計標準》，對吊機筒體與甲板底部加強結構的連接部位進行了強度分析，在此基礎上對應力循環次數較大的部位進行了疲勞分析：

（1）吊桿駁在吊機最大設計吊重各回轉工況下（考慮吊重試驗110%荷載），其吊機筒體底部主要加強構件正應力、剪應力、相當應力均小于《船舶與海上設施起重設備規范》中的許用正應力，強度和剛度均滿足規范及實際使用需求;

（2）結構設計過程中，對于筒體與底部加強結構的連接部位，尤其是應力集中區域與循環應力高應力區域重疊處，尤其應引起重視，可通過優化結構型式、合理選擇節點連接方式，采用肘板或者增加結構板厚的形式減小應力幅;

（3）在計算高頻循環荷載考慮疲勞強度時，尤其應注意不同構件間節點連接型式，在直接承受動力荷載的結構中，特別是垂直于受力方向的焊縫，不應采用部分焊透的對接焊縫或者角焊縫。

參考文獻

[1]船舶設計實用手冊[M]. 北京：國防工業出版社，2013.

[2]中華人民共和國國家標準.鋼結構設計標準. GB50017-2017. [M]北京：中國建筑工業出版社，2017.

[3]中國船級社：船體結構疲勞強度指南[M].北京：人民交通出版社，2015.

[4]中國船級社：船舶與海上設施起重設備規范[M].北京：人民交通出版社，2007.

[5]張健，昌滿，何文心.海上過駁平臺全船強度計算及基座結構加強方案[J].造船技術，2017（1）.