基于110t拼裝式起重船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與浮箱體拼裝優(yōu)化研究

李愛(ài)華

（上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

基于110t拼裝式起重船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與浮箱體拼裝優(yōu)化研究

李愛(ài)華

（上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

文章針對(duì)某110t拼裝式起重船，研究其兩側(cè)增設(shè)首尾浮箱后的結(jié)構(gòu)性能，提出了對(duì)浮箱結(jié)構(gòu)的四個(gè)整改方案，并利用Fuzzy綜合評(píng)判理論對(duì)其浮箱拼裝優(yōu)化進(jìn)行綜合評(píng)判，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

拼裝式起重船；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；浮箱；有限元；Fuzzy綜合評(píng)判理論

0 引言

為保障物資輸送和維持海上的交通通暢，浮箱技術(shù)的研究和運(yùn)用將作為首選。浮箱作為重要的浮渡工具，不僅能在戰(zhàn)時(shí)用于跨越江河或海灘障礙，同時(shí)也在平時(shí)的抗洪搶險(xiǎn)、橋梁施工和船舶航行作業(yè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮重要作用，其重要性越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外企業(yè)的重視。而起重船作為海洋工程的輔助船舶，不僅在海洋油氣田的開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，還是海上工程吊裝、海洋打撈作業(yè)中不可或缺的裝備。該種類型的船舶近年來(lái)得到了大力的發(fā)展。[1，2]因此，本文主要工作是將浮箱增設(shè)到起重船后，計(jì)算自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和研究浮箱的拼裝性能。

1 110t拼裝式起重船有限元分析

1.1 有限元模型

按照《船舶與海上設(shè)施起重規(guī)范》（2007）（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”）進(jìn)行建模與邊界處理，同時(shí)利用有限元軟件MSC/PATRAN及MSC/NASTRAN對(duì)110t拼裝式起重船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元校核計(jì)算。在建模過(guò)程中，沿著船長(zhǎng)方向定義為X方向，沿著船寬度方向取為Y方向，高度方向就看作Z方向。[3]船體有限元模型共有7 544個(gè)節(jié)點(diǎn)，9 204個(gè)單元；浮箱有限元模型共有2 568個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 514個(gè)板單元，有限元模型如圖1所示。

圖1 整體有限元模型

1.2 邊界條件與載荷加載

在對(duì)110t拼裝式起重船整船有限元分析時(shí)，需要對(duì)模型邊界進(jìn)行確定，結(jié)合規(guī)范的要求，邊界條件如表1所示。

表1 110t拼裝式起重船整體的邊界約束

本船的計(jì)算荷載工況主要考慮到有風(fēng)無(wú)風(fēng)、吊臂位置等因素。在計(jì)算過(guò)程中往往涉及到危險(xiǎn)工況來(lái)分析，所以本文的工況可包括6種，具體是：工況1，扒桿起吊角度為70°，此時(shí)不考慮風(fēng)載；工況2，扒桿處于過(guò)橋的時(shí)候，起吊角度為12°，同樣不受風(fēng)載；工況3，扒桿起吊角度為70°，此時(shí)考慮風(fēng)載；工況4，組合受載，風(fēng)速55m/s（前后方），靜橫傾30°，甲板前后上方受到加速度影響；工況5，組合受載，風(fēng)速55m/s（橫向），靜橫傾30°，甲板前后上方受到加速度影響；工況6，扒桿起吊角度為70°，同時(shí)受到組合載荷影響。

加載位置：根據(jù)總布置圖以及載荷計(jì)算所得值，加載位置為扒桿底部與甲板接觸位置。在對(duì)整船有限元分析時(shí)，必須要采取MPC對(duì)主船體以及浮箱之間關(guān)系，這樣可以更好地傳遞他們之間的載荷，如圖2和圖3所示。

圖2 船體整體載荷加載

圖3 采取MPC建立主船體與浮箱連接圖

1.3 許用應(yīng)力

按照規(guī)范的規(guī)定，確定出不同工況下的起重機(jī)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)以及許用應(yīng)力，船體構(gòu)件許用應(yīng)力如表2所示。

表2 船體構(gòu)件許用應(yīng)力

1.4 應(yīng)力結(jié)果

通過(guò)對(duì)110t拼裝式起重船船體結(jié)構(gòu)的計(jì)算，應(yīng)力結(jié)果如表3所示，并有以下結(jié)論：

（1）該船在6個(gè)工況下的有限元強(qiáng)度均滿足規(guī)范許用應(yīng)力的要求；

（2）船體在工況6，即扒桿起吊角度為70°，同時(shí)受到組合載荷影響下計(jì)算出來(lái)的應(yīng)力最大值為132MPa，其原因主要是船舶受到組合載荷影響，不僅有風(fēng)速還有加速度等因素，造成船舶應(yīng)力較大。

表3 應(yīng)力水平匯總

2 浮箱體結(jié)構(gòu)性能研究

2.1 概述

基于對(duì)110t拼裝式起重船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究，可提出如下四種浮箱改進(jìn)方案，研究對(duì)船舶整體強(qiáng)度的影響。具體為：方案Ⅰ，在尾浮箱內(nèi)部增設(shè)橫艙壁；方案Ⅱ，在尾浮箱內(nèi)部增設(shè)縱艙壁；方案Ⅲ，增加尾浮箱與靠近船體舷側(cè)外板的厚度（從原來(lái)的6mm增加為7mm）；方案Ⅳ，把首尾浮箱做成一個(gè)整體，不改變其高度。

2.2 計(jì)算結(jié)果比較

改進(jìn)后的浮箱結(jié)構(gòu)在起重船受到外載荷作用下，拼裝式起重船應(yīng)力計(jì)算結(jié)果比較如表4所示。可以發(fā)現(xiàn)，不同方案之下的110t拼裝式起重船的船體強(qiáng)度應(yīng)力都有所提高，這為今后拼裝式起重船結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定借鑒意義。

表4 應(yīng)力比較（MPa）

3 拼裝式起重船結(jié)構(gòu)的模糊綜合批判

下面將主要通過(guò)Fuzzy綜合評(píng)判理論對(duì)前面提到的四種方案進(jìn)行綜合評(píng)判，確定最優(yōu)方案，這樣也會(huì)為實(shí)際建造提供一定參考意見(jiàn)。

3.1 建立評(píng)判對(duì)象因素集

評(píng)判對(duì)象因素集如式（1）所示。式中，u1為安全性；u2為工藝性；u3為經(jīng)濟(jì)性。其中u2（工藝性）由切割長(zhǎng)度的數(shù)值、加工場(chǎng)所的具體情況、裝配情況、涂裝技術(shù)要求等四個(gè)子因素確定，如式（2）所示。式中，u21為切割長(zhǎng)度；u22為加工條件；u23為裝配條件；u24為涂裝。

3.2 建立因素權(quán)重集

在建立因數(shù)權(quán)重集時(shí)，首先需要對(duì)安全性、工藝性和經(jīng)濟(jì)型進(jìn)行整體確定權(quán)重，在此可以認(rèn)為第一層因素權(quán)重模糊集。從這三個(gè)因素中，安全性最重要，直接影響船舶在碼頭裝載和航行過(guò)程中船舶以及人員的安全，而工藝性是在安全性得到滿足的前提下，對(duì)船舶切割、加工、裝配等技術(shù)指標(biāo)的改進(jìn)與提高，經(jīng)濟(jì)性因素的重要性相對(duì)最小，僅僅出于船舶營(yíng)運(yùn)為目的而考慮的一項(xiàng)因素，通過(guò)表5可得權(quán)重A=（0.366，0.337，0.297）。在建立因數(shù)權(quán)重集時(shí)，還需要對(duì)工藝性中涉及到切割長(zhǎng)度的數(shù)值、加工場(chǎng)所的具體情況、裝配情況、涂裝技術(shù)進(jìn)行確定權(quán)重，在此可以認(rèn)為第二層因素權(quán)重模糊集。在本文選定的四項(xiàng)指標(biāo)中，鋼料切割最重要，對(duì)船體建造工藝的質(zhì)量起到很大影響，也影響了此結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，因此該項(xiàng)指標(biāo)最重要。構(gòu)件加工和裝配在切割的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，也比較重要，直接影響焊接的工作量以及分段建造工藝要求，涂裝的重要性相對(duì)最小，通過(guò)表6可得權(quán)重A2=（0.283，0.269，0.242，0.206）。第一層進(jìn)行的自上而下的成對(duì)比較，具體數(shù)值如表5所示。第二層進(jìn)行的自上而下的成對(duì)比較，具體數(shù)值如表6所示。

表5 第一層因素權(quán)重模糊集

表6 第二層因素權(quán)重模糊集

3.3 建立評(píng)判集

從這四種方案中選取一種最優(yōu)方案作為最終優(yōu)化方案，所以評(píng)判集可以簡(jiǎn)單表示，如式（3）所示。

式中，V1為方案Ⅰ；V2為方案Ⅱ；V3為方案Ⅲ；V4為方案Ⅳ。

3.4 評(píng)估指標(biāo)的量化

在評(píng)估以下三個(gè)指標(biāo)中，對(duì)構(gòu)件加工、裝配以及涂裝的要求可以跟實(shí)際建造拼裝式起重船的船廠相結(jié)合，認(rèn)為方案Ⅲ不管從加工、裝配還是涂裝都比較簡(jiǎn)單，而方案Ⅰ和Ⅱ通需要增設(shè)艙壁結(jié)構(gòu)，增加加工裝配等焊接工作量，相對(duì)復(fù)雜一點(diǎn)，方案Ⅳ從首尾浮箱整合角度出發(fā)認(rèn)為建造工藝要求最高，而涂裝技術(shù)跟方案Ⅲ沒(méi)有太大變化。因此，可得到模糊權(quán)重集如表7所示。

表7 評(píng)估指標(biāo)量化

通過(guò)參閱相關(guān)資料可以總結(jié)出相關(guān)統(tǒng)計(jì)函數(shù)。以實(shí)際數(shù)值、最大允許值和相關(guān)統(tǒng)計(jì)公式的方式，分別對(duì)其余三項(xiàng)指標(biāo)給予簡(jiǎn)單數(shù)值化，具體如表8所示。

表8 三項(xiàng)評(píng)判指標(biāo)

3.5 第二層因素權(quán)重模糊集

拼裝式起重船的船體安全性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)如表9所示。

表9 安全性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)

將表9中設(shè)計(jì)到u1，u21，u3的具體的數(shù)據(jù)放到表8所要求的各種統(tǒng)計(jì)公式函數(shù)中，這樣可以得到不同指標(biāo)下的數(shù)值。結(jié)合前面表7的計(jì)算結(jié)果，得到安全性、工藝性（切割長(zhǎng)度）以及經(jīng)濟(jì)性參數(shù)的評(píng)判模糊集。最后得到第二層因素權(quán)重模糊集，如式（4）所示。

3.6 第一層因素權(quán)重模糊集

同理可以得到第一層因素權(quán)重模糊集，如式（5）所示。

通過(guò)Fuzzy綜合評(píng)判理論計(jì)算，得到了最終因素權(quán)重模糊集B，其中方案Ⅳ的值最大，說(shuō)明方案Ⅳ對(duì)拼裝式起重船整體的性能最為理想。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要基于110t起重船的基礎(chǔ)上，在兩側(cè)增設(shè)首尾浮箱后研究整體的結(jié)構(gòu)性能。同時(shí)針對(duì)起重船發(fā)展現(xiàn)狀和工程背景，對(duì)110t拼裝式起重船的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行深入的研究分析。通過(guò)對(duì)拼裝式起重船浮箱的研究，可以得出比較優(yōu)良的浮箱結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅加強(qiáng)了起重船本身的強(qiáng)度，也提高了船舶的穩(wěn)性和抗沉性，進(jìn)而也為起重船進(jìn)行高難度施工作業(yè)提供有力保障。

[1]王淑平,王波.3000t海上運(yùn)架梁專用起重船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].船舶設(shè)計(jì)通訊,2006(2)：48-51.

[2]張志明,徐丹錚,張超,等.大型起重船船型開(kāi)發(fā)的若干技術(shù)問(wèn)題初探[J].船舶,2005(1)：10-15.

[3]張永昌.MSC NASTRAN有限元分析理論基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

Research on the Structural Strength of the 110t Assembled Floating Crane as well as the Assembling Optimization of the Floating Box

LI Ai-hua
(School of Ship,Oceanic&Architectural Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)

Based on a study of the structure performance of the floating boxes installed on both flanks of a certain 110t assembled floating crane,this article puts forward four rectification measures as well as makes a comprehensive evaluation of its assembling optimization in combination with the FUZZY theory.

Assembled floating crane;Structural strength;Floating box;Finite element;FUZZY theory

U674.35

A

1671-9891（2014）03-0030-05

10.3969/j.issn.1671—9891.2014.03.009

2014-04-25

李愛(ài)華（1968—），男，江蘇如東人，上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院碩士生。