多用途船邊克令吊筒體與艙口圍連接研究

郭艷超 鄭學義

（上海歐得利船舶工程有限公司 上海 200012）

引 言

最近幾年，我們公司提出新一代“藍鯨（Blue Whale）”系列多用途船的概念，涵蓋的載重量從4000 t～60000 t。該系列船型具有大開口、靈活的雙層甲板以及可移動谷物艙壁等特點。該船可以很方便地裝載不同的貨物，如大件重貨、集裝箱、散貨等，具有強大的負載和靈活的裝卸能力，兼具高效的能耗和低排放，受到國內(nèi)外許多船東的好評。

28000 t多用途船是該系列成熟技術的代表產(chǎn)品。到目前為止，已經(jīng)分別被COSCO、德國Braren、Freese、伊朗以及埃塞俄比亞等船東訂造并交付，也經(jīng)歷了CCS、GL、BV、ABS等船級社的審核，船東和船級社都對該船的特點印象深刻。經(jīng)過實船運營的檢驗，該船成為各自公司的明星船型。

該船艙內(nèi)配備2層二甲板，在4個貨艙中的第2艙和第3艙各裝備一套谷物艙壁，內(nèi)底除了集裝箱設備的加強外，還能承受3個墊木25 t/2層1.8 m（直徑）×1.5 m（長度）的卷鋼和抓斗操作。特別是在左舷設置3臺邊克令吊，其中2臺為可聯(lián)吊的重吊。

在設計建造過程中，應不同船東的要求，本系列船的3臺邊克令吊具備不同的吊重能力。各個船級社的船檢人員也就邊克令吊基座的加強以及邊克令吊與附近結構的連接方式等問題，提出了不同的設計方案。為解決應力集中問題并比較這些方案的優(yōu)劣，我們利用FEMAP 有限元軟件［1］，對具有代表性的吊重能力為80 t和200 t的邊克令吊，建立了多個有限元模型進行分析比較［2-3］，希望能對類似情況給出一定的建議。

1 設計方案簡介

本文討論的吊重能力80 t和200 t的邊克令吊，兩者附近的船體結構情況基本相似:克令吊位于左舷舷側縱向艙口圍板外，筒體截面為長方形，筒體內(nèi)橫向板位于肋位上，其外側縱向板與外板對接，折角后的主甲板縱骨與其筒體內(nèi)側縱向板對齊。主甲板以下，在克令吊筒體范圍內(nèi)，除了已有的橫向框架外，其他所有肋位均作適當?shù)难a充加強?？肆畹鯀^(qū)域結構布置情況見圖1。

圖1 邊克令吊區(qū)域有限元模型

圖2 艙蓋設備典型加強圖

本系列船的舷側寬度為2200 mm，邊克令吊筒體的寬度大約1490 mm。在克令吊區(qū)域內(nèi)，縱向艙口圍上有很多艙口蓋的設備，這些設備尤其是橫向限位裝置的加強肘板的面板有些是縱向幾個肋位相連。在舷側寬度有限的情況下，這些加強結構與克令吊筒體就產(chǎn)生位置沖突（見圖2）。為保證這些加強結構不受影響，我們考慮將艙口圍結構與克令吊筒體相連。由此帶來一個新的問題——連接部分的應力集中，即克令吊工作時會對相連的艙口圍結構產(chǎn)生拉伸或擠壓，從而出現(xiàn)高應力區(qū)。

針對以上問題，本文就邊克令吊筒體與艙口圍的連接方式，提出了兩種不同的設計方案，以期解決高度的應力集中問題?？紤]到在邊克令吊和艙口圍結構完全脫開的情況下，其加強結構形式較為常規(guī)，所以本文對這種加強結構方案的設計以及有限元計算不再贅述。

1.1 方案1

邊克令吊筒體與縱向艙口圍板以及其橫向加強肘板相互連接，筒體兩端的艙口圍板用橢圓形光順過渡（見下頁圖3）。該方案的優(yōu)點是克令吊的受力和變形部分地傳遞到艙口圍結構上，同時避免了邊克令吊與艙口圍橫向肘板距離過近而帶來的施工空間狹小的問題。但因克令吊筒體是與船體梁產(chǎn)生的最大彎曲應力處連接，一定要注意節(jié)點處理，避免應力集中［4-5］。根據(jù)方案1建立了有限元模型，見圖4。

圖3 方案1結構連接形式

1.2 方案2

邊克令吊筒體與縱向艙口圍板相互獨立，只采用圓滑的歐米伽（OMEGA）孔形式與其橫向加強肘板相連接，以使應力緩慢疏散，避免應力集中（見圖5）。這樣的好處是能避免與船體縱向構件之間產(chǎn)生直接聯(lián)系，也能解決由于邊克令吊與艙口圍橫向肘板距離過近而帶來施工空間狹小的問題。缺點是施工工藝和精度要求高。根據(jù)方案2建立了有限元模型（見圖6）。

圖4 方案1有限元模型

圖5 方案2結構連接形式

圖6 方案2有限元模型

2 有限元模型的概況介紹

對于以上兩種結構方案，為了減小邊界條件對計算精度的影響，我們將結構模型的范圍盡可能遠離克令吊本身:在船寬方向延伸至內(nèi)殼縱艙壁或橫艙壁上縱向桁材以及外板；在型深方向延伸到主甲板下第二層平臺。在有限元模型中，所有扶強材及肘板的面板均用梁單元，所有的板殼結構均用板單元。普通區(qū)域的網(wǎng)格大約為200 mm×200 mm，在容易出現(xiàn)應力集中的局部結構處，單元網(wǎng)格密度細化為50 mm×50 mm。

2.1 邊界條件

（1）模型的橫向邊界位于橫艙壁上縱向桁材，剛性固定。

（2）模型的垂向邊界位于主甲板下第二層平臺，剛性固定。

（3）模型的縱向邊界位于離克令吊區(qū)域較遠位置的橫向強框上，剛性固定。

2.2 載荷條件

在本船的實際運營中，克令吊只會在港內(nèi)操作，所以克令吊載荷與艙蓋載荷、船體梁最大載荷不會同時發(fā)生。

根據(jù)克令吊廠商提供的資料，克令吊的載荷分別為吊重能力為80 t的克令吊，Qmax=1200 kN，Mmax= 32000 kN·m；以及吊重能力為200 t的克令吊，Qmax= 3850 kN，Mmax= 60700 kN·m。其中:Qmax為最大垂向向下載荷； Mmax為可在水平面內(nèi)任何角度作用的最大彎矩。

以上兩型克令吊，對于Mmax，我們可從船長方向開始，在水平面內(nèi)每15°為一個工況，來模擬其吊臂工作狀態(tài)時的作業(yè)角度，從而找到對結構加強最危險的情況，如圖7。

圖7 24種計算工況彎矩方向示意圖

2.3 應力衡準

本系列船的克令吊加強結構中，高應力處的鋼料等級均為36 kg高強度鋼。根據(jù)船級社相關規(guī)范，應力標準為:合成應力［σ］=243 N/mm2。［6］

3 計算結果分析與兩種方案的比較

在計算中，我們對艙蓋的載荷及其加強單獨進行了校核。同時，考慮到克令吊的位置在艙口角隅附近，我們也仔細考核了克令吊工作時，艙口角隅附近的應力。結果表明，兩種方案中，艙蓋載荷的加強以及艙口角隅的結構都能滿足船級社要求。

在以上的模型和邊界條件下，我們通過計算得到了各個模型在24種不同工況下的應力。

考慮到以上兩種設計方案下，主甲板以下加強結構的應力不大，同時為了簡化數(shù)據(jù)，我們在附圖中只取每個克令吊最危險工況中主甲板以上區(qū)域的應力圖。

其中吊重能力80 t邊克令吊的最大合成應力，方案1為206.5 N/mm2（見圖8）；方案2為234.8 N/mm2（見圖9），都能滿足船級社規(guī)范的要求。由應力云圖可知，在方案1中，最危險工況中的最大應力出現(xiàn)在兩端肘板的頂部，其余加強結構的應力均小于168 N/mm2；在方案2中，最危險工況的最大應力出現(xiàn)在兩端肘板的歐米伽孔邊緣處，其余加強結構的應力均小于176.3 N/mm2。值得注意的是，方案2中的歐米伽孔形狀是我們經(jīng)過多次方案修改和多次演算后得出的最優(yōu)結果。方案1與方案2相比，其對于克令吊剛性的提高、應力的降低、施工以及解決艙口蓋設備的加強等方面更為優(yōu)越，是我們推薦的優(yōu)化方案。

圖8 吊重能力80 t克令吊方案1中最危險工況合成應力云圖

圖9 吊重能力80 t克令吊方案2中最危險工況合成應力云圖

吊重能力為200 t的重型邊克令吊最大合成應力，方案1為379.6 N/mm2（見圖10）；方案2為437 N/mm2（見圖11），兩種方案的應力水平已經(jīng)遠超船級社規(guī)范要求。同時，通過我們的試算，即使將高應力區(qū)域的板增加至極限板厚，方案1和方案2的應力結果仍遠超出許可范圍。在吊重加大的情況下，由于艙口圍附近的剛度條件有限，兩種方案都已不再適用。

圖10 吊重能力200 t克令吊方案1中最危險工況合成應力云圖

圖11 吊重能力200 t克令吊方案2中最危險工況合成應力云圖

鑒于以上的計算結果，對于多用途船的邊克令吊底部結構加強，尤其是對于特重型吊（吊重能力200 t及以上）的布置，有必要在設計初期予以特別重視。在舷側寬度有限的情況下，設計人員應該積極與各個設備商做好前期溝通，盡可能避免邊克令吊的布置位置與艙口蓋的橫向限位裝置重疊，這樣邊克令吊與艙口圍結構完全脫開，互不影響，從而避免出現(xiàn)因連接而導致的高應力結果或不連接帶來的施工困難的問題。

4 結 論

本文提出的方案1對吊重能力80 t和120 t的邊克令吊的加強方式均獲得GL船級社的審批；方案2對80 t的邊克令吊的加強方式獲得BV船級社的審批；對于吊重能力200 t的邊克令吊，在實船中，由于其附近沒有艙口蓋橫向限位的加強，我們采取克令吊與艙口圍結構完全脫開的方法，也獲得GL船級社的認可。在多艘實船的運營中，該加強區(qū)域內(nèi)的應力水平都在可控范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)任何結構問題，也從實踐上檢驗了我們設計方案是成功的。

［1］羅旭，趙明宇，雷駿雄. Femap & NX Nastran基礎及高級應用［M］. 2009.

［2］孫雪榮，許彬. 克令吊基座的局部加強結構優(yōu)化設計研究［J］.船舶 .2006（6）:21-26.

［3］王立軍，謝永和. 克令吊底座強度有限元分析及結構優(yōu)化［J］. 浙江海洋學院學報（自然科學版）.2007年01期:92-95.

［4］中國船舶工業(yè)集團公司. 船舶設計使用手冊（結構分冊）［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2002.

［5］劉建成，顧永寧. 大開口船艙口角隅應力集中問題研究［J］.船舶工程，2000（6）:9-12.

［6］GL. Regulations for the Construction and Survey of Lifting Appliances， Section 2–Design and Calculation Principles［S］. 1992.

［7］孫雪榮，馬網(wǎng)扣.克令吊基座的局部加強結構優(yōu)化設計研究（續(xù)）［J］.船舶，2009（3）:26-29.