120 t起重船扒桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析

王貴彪,王 偉，謝永和

(1．浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江 舟山 316201；2．浙江海洋學(xué)院，浙江 舟山 316000 )

120 t起重船扒桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析

王貴彪1,王 偉2，謝永和2

(1．浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江 舟山 316201；2．浙江海洋學(xué)院，浙江 舟山 316000 )

根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》，采用MSC.Patran建立某起重船扒桿有限元模型，在考慮質(zhì)量載荷、風(fēng)載等載荷和船舶橫縱傾的情況下，對(duì)其結(jié)構(gòu)在典型工況的強(qiáng)度與穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，并有針對(duì)性地提出部分加固改進(jìn)措施和注意事項(xiàng)。

起重船；扒桿；有限元；強(qiáng)度；穩(wěn)定性

隨著國(guó)家內(nèi)河港口及航道的發(fā)展建設(shè)，內(nèi)河航區(qū)的起重船作為港口船舶裝卸的重要工具，在港口建設(shè)、造船工程、橋梁建筑、水下救撈等過(guò)程中均具有廣泛的用途[1]。同時(shí)，起重船由于其自身工作特點(diǎn)，總體受力大，局部受力集中且分布不均，吊點(diǎn)較高，因而對(duì)臂架及船體結(jié)構(gòu)要求特別高[2]。目前，針對(duì)幾百噸甚至上千噸的大型起重船及其臂架的設(shè)計(jì)分析已較為常見(jiàn)[3-5]，而少見(jiàn)針對(duì)內(nèi)河小型起重船的研究。近年來(lái)，隨著內(nèi)河港口航道以及航運(yùn)的發(fā)展，內(nèi)河小型起重船以其低造價(jià)、小巧靈活等特點(diǎn)在工程建設(shè)中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。為此，依據(jù)《船舶及海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》[6](2007)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)及《船舶及海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則》之《起重設(shè)備法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(1999)，對(duì)航區(qū)為內(nèi)河B級(jí)的120 t起重船的扒桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其穩(wěn)定性利用MSC.Patran/Nastran進(jìn)行有限元分析，以期為今后此類內(nèi)河小型起重船的臂架設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 起重船及扒桿概況

該120 t起重船為自航式起重船，主鉤起吊能力為1 200 kN，副鉤起吊能力為200 kN，在內(nèi)河B級(jí)航區(qū)進(jìn)行起吊作業(yè)，布置見(jiàn)圖1，主尺度見(jiàn)表1。

圖1 起重船打撈布置

表1 120 t起重船主尺度 m

扒桿類似A字型，有效長(zhǎng)度為14 m，兩桿之間的撐柱分別離頂端為5 m和10 m，見(jiàn)圖2，其材料為Q345B。扒桿工作時(shí)和水平面成60°固定夾角，而在起重船航行或者過(guò)橋時(shí)，扒桿放置在甲板上，由甲板上的撐柱進(jìn)行支撐，此時(shí)扒桿與水平面成15°夾角。

圖2 打撈扒桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 有限元模型及加載

2.1 有限元結(jié)構(gòu)模擬

應(yīng)用MSC.Patran軟件建立模型，其X軸沿船體縱向指向船艏，Y軸沿船寬方向指向左舷側(cè)，Z軸沿船體垂向方向。采用板單元及梁?jiǎn)卧?，其中扒桿的底部及頂部結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，而扒桿中間框架則采用梁?jiǎn)卧M，兩者采用MPC單元進(jìn)行過(guò)渡，以確保載荷能夠傳遞，見(jiàn)圖3～5。

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)《規(guī)范》選取工況，見(jiàn)表2。

根據(jù)《規(guī)范》，取起重機(jī)工作風(fēng)速取20 m/s;在放置狀態(tài)下(即本船過(guò)橋狀態(tài))，風(fēng)速55 m/s。風(fēng)向取組合載荷后的最不利方向。扒桿自重則以慣性力的形式施加在扒桿上。

圖3 扒桿有限元模型

圖4 扒桿底部模型

圖5 有限元頂部模型

2.3 邊界條件

邊界條件設(shè)置見(jiàn)表3。

表2 計(jì)算工況

表3 邊界條件

注：×表示約束，其中甲板支柱交點(diǎn)處約束相對(duì)于局部坐標(biāo)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 強(qiáng)度校核

3.1.1 許用應(yīng)力

許用應(yīng)力按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：σs=345 MPa (材質(zhì)為Q345B強(qiáng)度鋼)，屈強(qiáng)比=0.51～0.70(σb=490-675)，彈性模量E為206 GPa，系數(shù)β取1.0，安全系數(shù)n及許用應(yīng)力見(jiàn)表4。

表4 安全系數(shù)n及許用應(yīng)力

3.1.2 強(qiáng)度校核

強(qiáng)度校核見(jiàn)表5。

表5 扒桿最大應(yīng)力匯總

由表5可見(jiàn)，扒桿有風(fēng)狀態(tài)時(shí)構(gòu)件的應(yīng)力大于無(wú)風(fēng)狀態(tài)。而在有風(fēng)時(shí)，橫向受風(fēng)時(shí)構(gòu)件應(yīng)力大于縱向受風(fēng)。工況3也即扒桿工作狀態(tài)，起重船左傾5°、艏傾2°，同時(shí)橫向受風(fēng)時(shí)為最危險(xiǎn)工況，此時(shí)扒桿構(gòu)件的應(yīng)力最大。

圖6 工況3應(yīng)力等效云圖(單位：MPa)

圖7 工況3扒桿最大梁組合應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖8 工況3扒桿最小梁組合應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖9 工況3扒桿變形云圖(單位：mm)

由圖6～8可見(jiàn)，扒桿最大應(yīng)力出現(xiàn)在扒桿主桿與底部連接區(qū)域以及與頂部連接區(qū)，其主要原因?yàn)轫敳颗c底部有邊界條件約束而導(dǎo)致應(yīng)力集中。而在主桿區(qū)域，應(yīng)力最大區(qū)域則主要集中于橫向支撐桿與主桿的連接處。從圖9可以發(fā)現(xiàn)：扒桿頂部是整個(gè)起重載荷的直接受力點(diǎn)，故在該區(qū)域出現(xiàn)了變形最大區(qū)域，并且隨著高度的降低變形逐步減少，變形值最大達(dá)到了26 mm。因此，應(yīng)在扒桿主桿的底部和頂部以及橫向支撐桿與主桿連接處設(shè)置肘板，以保證其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

3.2 穩(wěn)定性校核

3.2.1 校核準(zhǔn)則

《規(guī)范》3.2.17.2中指出，同時(shí)承受壓力和彎曲的構(gòu)件，應(yīng)按式(2)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。

(2)

式中：σm——構(gòu)件承受的彎曲應(yīng)力，MPa；

σc——構(gòu)件承受的壓應(yīng)力，MPa；

σs——鋼材屈服強(qiáng)度，MPa；

σcr——構(gòu)件的臨界的壓應(yīng)力，MPa；根據(jù)構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比和截面形狀決定；

n——安全系數(shù)。

根據(jù)《規(guī)范》附錄I，扒桿羅伯遜常數(shù)α=3.5，臨界應(yīng)力σcr為174 MPa。

3.2.2 穩(wěn)定性校核

各工況下起重機(jī)整體穩(wěn)定性校核見(jiàn)表6。

表6 起重機(jī)整體穩(wěn)定性校核

由表6可見(jiàn)，扒桿的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。工況6也即試驗(yàn)工況的截面軸向應(yīng)力最大，而工況3的截面彎曲應(yīng)力最大。

圖10 工況3 扒桿梁?jiǎn)卧S向應(yīng)力云圖

圖11 工況3 扒桿梁?jiǎn)卧獜澢鷳?yīng)力云圖

以圖10、11所示工況3為例：扒桿主桿軸向應(yīng)力最大的區(qū)域出現(xiàn)在主桿與扒桿底部連接處；而最大彎曲應(yīng)力出現(xiàn)在主桿與扒桿頂部連接處，同時(shí)此處扒桿變形為最大。

4 結(jié)論

1)各工況下扒桿所有構(gòu)件的最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。雖然部分區(qū)域仍存在高應(yīng)力情況，但總體仍有進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的潛力。

2)與大型起重船臂架最大應(yīng)力出現(xiàn)在放置且橫向受風(fēng)的工況不同[7]，該船扒桿工作狀態(tài)且橫向受風(fēng)為最危險(xiǎn)工況。但是出現(xiàn)最大應(yīng)力的區(qū)域與大型起重船臂架較為一致，也是出現(xiàn)在扒桿主桿與頂部、底部結(jié)構(gòu)連接處以及橫向支撐桿與主桿的連接處。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)這些部位加以重視，加設(shè)肘板以保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

[1] 楊 輝.700 t起重船船體及千斤柱有限元強(qiáng)度分析[J].江蘇船舶,2009,26(6):15-17.

[2] 王慶豐.1 000 t起重船有限元強(qiáng)度分析[J].造船技術(shù),2009(5):14-18.

[3] 張潤(rùn)宏.600 t 起重船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析[J].廣東造船,2010(2):37-39.

[4] 張少雄,任思楊.起重船有限元直接計(jì)算實(shí)例[J].船海工程,2009,38(4):5-8.

[5] 周國(guó)寶,米旭峰,渠延模.1 000 t起重船扒桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2009,17(9):5252-5255.

[6] 中國(guó)船級(jí)社.船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2007.

[7] 陳南華,李艷貞.1 500 t起重船A形吊臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析[J].船海工程,2013,12(6):29-32.

Analysis of Strength and Stability of the Gin Pole of 120 t Crane Ship

WANG Gui-biao1, WANG-Wei2, XIE Yong-he2

(1 Zhejiang Marine Fishes Research Institute, Zhoushan Zhejiang 316201, China;2 School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316022, China)

Based on the Rules for Lifting Appliances of Ships and Offshore Installations (2007), the FE model of gin pole of the 120 t crane ship is set up by MSC.Patran. Considering the mass loading, wind load and trim of ship, the structural strength and stability was analyzed and assessed in typical working conditions. Some improvement measures and matters need attention are proposed.

crane ship; gin pole; finite element; strength; stability

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.008

2014-08-21

王貴彪(1986-)，男，碩士生，助理工程師

U661.4

A

1671-7953(2015)01-0033-05

修回日期：2014-09-26

研究方向:漁船裝備與技術(shù)

E-mail:wangjidelei@163.com