16 000 kN起重船起重機基座結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

陳若泰，嚴 柳，李少澤

(1.招商局郵輪制造有限公司，江蘇 南通 226000；2.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引言

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。大型旋轉(zhuǎn)式起重船作為海上風(fēng)電項目安裝的重要設(shè)施，其起重機能夠在水面上作360°旋轉(zhuǎn)，承擔(dān)著貨物的裝載、風(fēng)機基礎(chǔ)樁打樁、風(fēng)機筒的安裝等工作。本文選取正在建造的16 000 kN全回轉(zhuǎn)起重船的起重機基座作為研究對象，通過對比分析起重機布置和其基座形式的優(yōu)缺點，確定起重機基座的形式，并采用有限元方法驗證當前設(shè)計的該船船體結(jié)構(gòu)和起重機基座的強度是否滿足船級社要求，為起重船的安全運行和起重機的正常使用提供保障。

1 主要參數(shù)

16 000 kN全回轉(zhuǎn)起重船為全焊接式鋼質(zhì)、單殼、單甲板的箱型船，適用于近海、沿海、內(nèi)河等水域進行吊裝工作，也能夠在潮間帶坐底作業(yè)。其主要參數(shù)如下：船長(主甲板)102.0 m，船寬39.6 m，型深9.0 m，設(shè)計吃水4.0 m(拖航工況)，作業(yè)吃水5.0 m(浮態(tài)起重重)，結(jié)構(gòu)吃水7.0 m；最大起重能力為16 000 kN，主鉤最大起升高度約110 m。起重機的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 起重機技術(shù)參數(shù)

2 起重機基座設(shè)計

2.1 起重機設(shè)計因數(shù)分析

16 000 kN全回轉(zhuǎn)起重機作為該起重船最重要的設(shè)備之一，能否發(fā)揮其應(yīng)有的性能是評價該起重船滿足設(shè)計要求的最基本的指標之一。而起重機的性能與其布置的位置有直接關(guān)系，同時起重機的布置又與該船的重量分布、總縱彎矩、穩(wěn)性密切相關(guān)。為了提高起重機的性能，從以下幾個方面分析起重機的位置：

(1)將起重機基座布置在船首。為了便于船舶的遷移和操作，駕駛室和生活區(qū)一般布置在船首。

(2)將起重機基座布置在船中。將起重機基座布置在船中，有利于該船的調(diào)載，但會減少整體的凈甲板面積。在主甲板上減少大型貨物堆放區(qū)域，同時主起重機下方為整船結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)域，艙壁的開孔受到限制，會增加管路和電纜的穿艙，增加船舶建造難度。因此，不能將起重機基座布置在船中。

(3)將起重機基座布置在船尾。該方案能夠?qū)⒋械募装宥荚O(shè)置為貨物堆放區(qū)域，從而能夠堆放大型尺寸構(gòu)件。本船采用該布置，其布置見圖1。

圖1 主起重機布置圖

2.2 起重機基座形式設(shè)計

為了避免起重機基座與起重機筒體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中和連接構(gòu)件的疲勞，將起重機基座的上口直徑與起重機底座筒體的直徑一致，從而使起重機載荷更好地傳遞到船體結(jié)構(gòu)上。采用上述的連接形式不僅能夠使該處連接簡單化，而且降低了后期施工的難度。

常見的起重機基座下口一般有圓筒型和上圓下方型，具體形式見圖2和圖3。圓筒型基座結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，減少了起重機基座橫縱艙壁及艙壁上的垂直桁材和水平桁材，進而降低了起重機基座的整體重量，減少了建造成本；同時，采用該結(jié)構(gòu)形式的基座，可以減少起重機基座過渡段的應(yīng)力集中現(xiàn)象以及降低施工過程中焊接工藝的難度。上圓下方機基座雖然能夠很好地將起重機的載荷傳遞到船體結(jié)構(gòu)上，但是需要在船體上額外增加4道艙壁，用于傳遞起重機的載荷，且采用該方案在結(jié)構(gòu)過渡階段施工困難、施工精度要求高。考慮本船起重機基座下方?jīng)]有額外的空間用于布置橫縱艙壁，故采用圖2的結(jié)構(gòu)形式作為最終設(shè)計方案。

圖2 圓筒型基座形式

圖3 上圓下方基座形式

采用圓柱形支撐形式作為起重機基座，其結(jié)構(gòu)形式從船底一直貫穿主甲板，并與起重機底座連接，見圖4。起重機基座的支撐圓柱結(jié)構(gòu)在主甲板以上10 m的板厚為60 mm的高強度鋼，主甲板到主甲板以下2.85 m的壁厚為60 mm的高強度鋼，主甲板以下2.85 m到船底的壁厚為40 mm的高強度鋼；從主甲板到起重機底座的圓柱體均布30根垂直桁梁；垂直桁梁以圓柱的圓心為中心均勻排列，垂直桁梁之間的夾角為12°，垂直桁梁的尺寸為腹板高度400 mm、厚度30 mm的高強度鋼，面板為高度150 mm、厚度30 mm的高強度鋼；垂直桁梁與甲板的連接采用肘板連接，肘板趾端采用軟趾連接并且要打磨光順，減少應(yīng)力集中。此種設(shè)計在減輕空船重量的同時能夠最大限度地將起重機載荷傳遞到船體上。同時按照起重機設(shè)備資料的要求，起重機底座高度為10 m。

圖4 起重機基座圖(單位：mm)

2.3 起重機基座強度有限元驗證

為了校核主起重機基座位置及支撐結(jié)構(gòu)的強度，采用有限元軟件FEMAP對其進行計算。模型使用板單元和梁單元混建：4節(jié)點板單元模擬扶強材、桁材、甲板板、艙壁和外板；2節(jié)點的梁單元模擬甲板下的支柱。為保證計算精度，在建模時，船長方向選0～75肋位的結(jié)構(gòu)，船寬方向選取右舷舷側(cè)外板至左舷舷側(cè)外板，高度方向沿船底板到主甲板往上10 m。船體結(jié)構(gòu)及起重機基座支撐結(jié)構(gòu)采用高強鋼，彈性模量為2.06×10MPa，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力為355 MPa，有限元模型見圖5。

圖5 起重機基座強度校核模型

按照起重船的設(shè)計要求，本船的設(shè)計工況分為坐底作業(yè)工況、浮態(tài)起重作業(yè)工況及調(diào)遣工況，因而需對有限元模型施加不同環(huán)境載荷，包括甲板載荷、起重機載荷、風(fēng)載荷及水載荷等。

甲板載荷按照最大甲板載荷20 000 kN選取。為保證起重機基座強度滿足要求，將20 000 kN甲板載荷施加在主甲板靠近起重機的載貨區(qū)域。

風(fēng)載荷按照《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》要求計算。經(jīng)計算，作業(yè)工況風(fēng)壓為245.2 Pa，調(diào)遣工況風(fēng)壓為1 854.3 Pa。

水載荷與平臺吃水有關(guān)。起重船坐底作業(yè)吃水為2 m，浮態(tài)起重作業(yè)吃水為5 m，遷移工況吃水為4 m，水載荷按照水的壓強公式施加到船體表面。

本船起重機作業(yè)方式包括固定吊尾起吊和全回轉(zhuǎn)起吊兩種方式。由于固定尾部起重機在正負15°范圍工作，因此起重臂每旋轉(zhuǎn)15°計算一次，分析3個角度下起重機的強度。全回轉(zhuǎn)工況則每旋轉(zhuǎn)45°計算一次，分析每個角度下起重機的強度。依據(jù)設(shè)備資料可得到不同工況下起重機的支反力，見表2。

表2 不同工況下的起重機支反力

邊界條件如下：

(1)浮態(tài)吊重工況&調(diào)遣工況有限元模型在邊界FR75施加鉸支約束(、、位移約束,、、轉(zhuǎn)動約束釋放)。

(2)坐底作業(yè)工況有限元模型在邊界FR75施加鉸支約束(、、位移約束,、、轉(zhuǎn)動約束釋放)，在船底板上施加向約束。

依據(jù)上述有限元模型進行計算，不同工況下起重船船體及主起重機基座的等效應(yīng)力云圖見圖6，其對應(yīng)的最大等效應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力值。

圖6 不同工況下等效應(yīng)力云圖(單位：MPa)

依據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》(2007)許用應(yīng)力的要求，起重船在作業(yè)工況和調(diào)遣工況時的安全系數(shù)分別為1.43和1.33，即在作業(yè)工況和調(diào)遣工況下其對應(yīng)的鋼材許用應(yīng)力為248 MPa和267 MPa。在各個工況下船體和起重機基座對應(yīng)的等效應(yīng)力均小于最大許用應(yīng)力，因此，按照此種方式設(shè)計本船的起重機基座滿足強度要求。

3 結(jié)論

(1)建議將起重機布置在船尾。該布置能夠增加甲板使用面積，同時有利于全船的重量分布。

(2)建議采用圓筒型起重機基座。該種形式的基座結(jié)構(gòu)形式簡單，能夠降低后期的施工難度。

(3)通過有限元分析，驗證了采用圓柱型起重機基座設(shè)計形式的船體結(jié)構(gòu)強度和起重機基座強度滿足船級社要求。