3 000 t起重船扒桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

梁 鵬，鄧映雪，張雨晨，李 磊，萬宇飛

(1.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459；2.浙江海洋大學(xué) 船舶與海運(yùn)學(xué)院，浙江 舟山 316022)

0 引言

隨著我國大型海上工程和海洋油氣開發(fā)工作的不斷發(fā)展，起重船作為非常重要的工程船之一，近年來在技術(shù)和構(gòu)件方面也得到了逐步的改善，尤其是起重船上的扒桿結(jié)構(gòu)成為了主要研究的優(yōu)化對象之一。目前為止，針對1 000 t以下的起重船扒桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性都進(jìn)行了較為全面的研究，但是針對1 000 t以上的大型起重船扒桿結(jié)構(gòu)研究還比較少。王慶豐以某1 000 t起重船為例利用MSC有限元軟件對在不同工況作業(yè)下的船體、龍門架、千斤柱的強(qiáng)度進(jìn)行了校核，指出了各部分的薄弱環(huán)節(jié)。尹睿以某1 200 t起重船為研究對象，校核了該船結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，并比較不同的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案的改進(jìn)效果，選擇最優(yōu)方案對起重船進(jìn)行改進(jìn)。吳英照通過有限元分析計(jì)算了100 t起重船起重扒桿的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。張?jiān)浦就ㄟ^建立某內(nèi)河150 t起重打撈船打撈扒桿的有限元模型，使用MSC.Patran軟件對扒桿的屈服強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行評估研究。同時，田雷等、龐君等也針對起重船扒桿強(qiáng)度分析進(jìn)行相關(guān)研究。本文針對3 000 t起重船扒桿結(jié)構(gòu)采用有限元方法進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，以《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范(2007)》(下文簡稱《規(guī)范》)和《起重設(shè)備法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則(1999)》為規(guī)范準(zhǔn)則，并且根據(jù)不同工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

1 起重船船型概述

3 000 t起重船為自航式起重船，吊鉤組自重為420 kN，吊鉤滑輪輪組工作繩數(shù)為16繩，在內(nèi)河B級航區(qū)進(jìn)行起吊作業(yè)。設(shè)置的起重扒桿工作角度為30.0°～61.1°，最小30°仰角工作負(fù)荷為3 000 kN，最大61.1°仰角工作負(fù)荷為30 000 kN。在不同起重臂架仰角時的起重安全工作負(fù)荷見表1。

表1 起重安全工作負(fù)荷

2 有限元模型

2.1 模型建立

本文采用Nastran軟件進(jìn)行有限元分析。在建模過程中，其軸沿船體縱向指向船首，軸沿船寬方向指向左舷側(cè)，軸沿船體垂向。該模型全部采用梁單元模擬，模型施加集中力，以MPC形式傳遞載荷，模型見圖1。

2.2 計(jì)算載荷

在計(jì)算中，不僅要考慮扒桿所受到的自重載荷，還需要考慮起升載荷、船舶傾斜所產(chǎn)生的起重載荷水平分力及起升系數(shù)等。

圖1 有限元模型

該起重船的船長小于4倍的船寬，故起重機(jī)應(yīng)該考慮縱傾角度為2°、橫傾角度為3°時可以安全有效的作業(yè)。按照《規(guī)范》中表3.2.4規(guī)定:作業(yè)系數(shù)=1.05，重型起重機(jī)的起升系數(shù)為=1.1，且自重載荷以重力加速度方式加載，軸、軸和軸方向的具體重力加速度如下所示：

=105sin2°=0.359 m/s

=105sin3°=0.539 m/s

=-105=-10.290 m/s

風(fēng)速產(chǎn)生的風(fēng)壓計(jì)算公式為

=0.613

(1)

此時，起重機(jī)在工作時的風(fēng)速應(yīng)當(dāng)為20 m/s，故此時工作狀態(tài)時產(chǎn)生的風(fēng)壓為

=0.245 2 MPa

(2)

表2 各工作角度下的工作負(fù)荷和風(fēng)力

參照《規(guī)范》，作用在起重機(jī)結(jié)構(gòu)上或單個構(gòu)件上的風(fēng)力計(jì)算公式為：

=

(3)

式中：為風(fēng)力系數(shù)，方向與風(fēng)向同；為構(gòu)件的投影面積，方向與風(fēng)向垂直，m，組合結(jié)構(gòu)的投影面積為結(jié)構(gòu)上每個構(gòu)件的投影面積之和。

表3為計(jì)算工況及其載荷組成匯總。

2.3 邊界條件

扒桿最底端與船連接處使用鉸支固定連接，扒桿頂端使用變幅鋼索約束。有限元模型的邊界條件見表4和圖2。

3 計(jì)算結(jié)果

本計(jì)算根據(jù)《規(guī)范》中規(guī)定，計(jì)算分析了每一個工作角度扒桿在無風(fēng)、有風(fēng)及試驗(yàn)工作狀態(tài)下的受力情況。許用應(yīng)力按下式計(jì)算：

(3)

表3 計(jì)算工況及其載荷組成

式中：為系數(shù)，取1.0；為屈服極限，對于Q345B強(qiáng)度鋼，取345 MPa；為安全系數(shù)。

參數(shù)及許用應(yīng)力見表5。

表4 邊界條件

圖2 邊界條件示意圖

表5 安全系數(shù)n及許用應(yīng)力

從起重扒桿各工況下最大應(yīng)力匯總結(jié)果可知：各個工況下所受到的等效應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力值均滿足規(guī)范條件；但是，在工況4時等效應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力最大，同時在該工況下，橫向受風(fēng)時所受到的應(yīng)力最大；其余工況下的等效應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力相較于規(guī)范條件還有一定的空間。

圖3和圖4列出了工況4在橫向受風(fēng)時的扒桿等效應(yīng)力云圖及剪切應(yīng)力云圖。

從圖3和圖4中可以看出，該起重船扒桿的應(yīng)力集中在其延長桿右面的扒桿梁處，因此要著重加強(qiáng)該部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4 結(jié)語

本文以某3 000 t起重扒桿船為研究對象，應(yīng)用Nastran軟件計(jì)算了扒桿延長后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題，對該扒桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析及校核，所得計(jì)算結(jié)果滿足《船舶及海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》和《起重設(shè)備法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》相關(guān)規(guī)范和規(guī)則。對比計(jì)算結(jié)果可知，《規(guī)范》中建議計(jì)算的各工況最大應(yīng)力出現(xiàn)在起重扒桿角度為46.1°，且為橫向受風(fēng)狀態(tài)。本文計(jì)算工況中的應(yīng)力集中體現(xiàn)在扒桿延長桿的右側(cè)連接處，在該部位應(yīng)予以加強(qiáng)，計(jì)算內(nèi)容為大型起重扒桿結(jié)構(gòu)的延長桿設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

圖3 工況4扒桿結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖4 工況4扒桿結(jié)構(gòu)最大剪切應(yīng)力云圖(單位：MPa)