250 t起重船打撈扒桿有限元強度分析

龐　君，謝永和

（浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山　316022）

250 t起重船打撈扒桿有限元強度分析

龐君，謝永和

（浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山316022）

利用有限元分析軟件建立了某內(nèi)河250 t起重船打撈扒桿結構的有限元模型，通過直接計算方法對打撈扒桿在作業(yè)狀態(tài)下的結構強度和穩(wěn)定性進行了評估，以確定扒桿結構和性能的穩(wěn)定性和安全性。首先進行了該非常規(guī)船舶的波浪載荷；其次，涉及起重船打撈扒桿作業(yè)狀態(tài)下的載荷選取，然后評估了扒桿的強度和穩(wěn)定性。該船打撈扒桿的強度評估方法與結果，可為今后此類內(nèi)河小型起重船的臂架與船體結構設計提供參考依據(jù)。

起重打撈船；扒桿；結構強度；穩(wěn)定性

起重船，又稱為浮吊，用于水上起重、吊裝作業(yè)。一般碼頭起重裝備的自重會受到碼頭地面承載能力的限制，而起重船是在水上進行裝卸起重工作，所以擺脫了這種束縛。而且借助拖船的幫助或自航能力，可以從一個工作地點轉移到另一個工作地點，提高了其利用率，而且起重船不受水位差影響。由于這些突出優(yōu)點，起重船的應用更加廣泛［1］。

由于起重船在線型、主尺度、裝載上都與普通船舶有很大差異［2］，以及工作的特殊性，在工作過程中船體基座受力較大，局部結構應力集中明顯，起吊位置較高，所以對扒桿和船舶本身結構強度要求較高［3］。本文以1艘內(nèi)河250 t起重打撈船為研究對象，根據(jù)中國船級社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2009）及其修改通報（2012）［4］（以下稱《規(guī)范》）和《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》（2007）（以下稱《規(guī)范》）［5］及《起重設備法定檢驗技術規(guī)則》（1999）［6］（以下稱《規(guī)則》）的有關要求，特別針對起重船的特點，對該船的打撈扒桿在作業(yè)狀態(tài)下建立有限元模型，對幾種作業(yè)工況下的結構強度計算結果分別進行了分析和說明，對于起重船打撈扒桿結構的設計提出了意見和建議。

1　船型介紹

該船為250 t自航型起重船，打撈扒桿長16.5m，當扒桿仰角60°時：主鉤最大起重量為300 t（設拼裝浮箱），扒桿工作角度：固定60°。在內(nèi)河B級航區(qū)進行起吊作業(yè)，該船主尺度見表1。

表1　主尺度Tab.1　Principal dimensions

2　計算模型

2.1有限元模型

應用PATRAN軟件建立起重、打撈扒桿有限元模型，模型以沿船體縱向指向船艏為X軸，沿船寬方向指向左舷側為Y軸，沿船體垂向為Z軸。模型采用板及梁單元模擬，打撈扒桿模型底部和頂部結果采用板單元模擬，中間框架用梁單元模擬，由MPC單元過渡以保證載荷能夠傳遞。圖1和圖2為該起重船打撈扒桿的有限元模型。

圖1　打撈扒桿有限元模型（60°）Fig.1　Finite element model（60°）

圖2　扒桿頂端MPC單元Fig.2　Boom top of MPC

2.2計算工況載荷

起重船工作情況特殊，其計算工況也比較復雜，本文選取起重船的工作狀態(tài)的計算工況進行研究。

起重船工作狀態(tài)有打撈狀態(tài)如圖3所示和放置狀態(tài)如圖4所示。

圖3　打撈狀態(tài)示意圖Fig.3　Salvage status

圖4　放置狀態(tài)示意圖Fig.4　Placement state

本船的打撈扒桿主要起吊質(zhì)量為300 t的工作狀態(tài)作為計算模型進行載荷的選取，所選取的載荷包括以下內(nèi)容：自重載荷、起升載荷、扒桿上滑輪所受的力、風載荷、船舶自身運動產(chǎn)生的力。

由以上分析可知起重船在各種工況下載荷的組合內(nèi)容的見表2。

表2　打撈扒桿各種工況載荷組合匯總Tab.2　Salvage boom load combination summary under various working conditions

2.3邊界條件

以起重船打撈作業(yè)工況為例建立計算模型的邊界條件如表3和圖5所示。

表3　邊界條件Tab.3　Boundary conditions

圖5　邊界條件示意圖Fig.5　Boundary conditions

3　有限元計算結構及分析

3.1許用應力

按照《規(guī)范》3.2.16.1，起重船打撈扒桿的許用應力按下式計算：

式中σs=345 MPa（材質(zhì)為Q345B強度鋼），屈強比=0.51～0.70 （σb=490～675），系數(shù)β取1.0。

該船的安全系數(shù)n及許用應力（MPa）見表4。

表4　安全系數(shù)n及許用應力（MPa）Tab.4　Safety factor n and allowable stress（MPa）

3.2有限元結構強度校核

由MSC軟件計算得起重船在工作狀態(tài)下，打撈扒桿在6種工況中的工作應力值，與許用應力值進行比較。比較結果見表5。

表5　扒桿最大應力（MPa）Tab.5　Maximum stress of boom（MPa）

由表5可見，扒桿有風狀態(tài)時構件的應力大于無風狀態(tài)。在有風狀態(tài)下，橫向受風時構件應力大于縱向受風。LC3即扒桿工作狀態(tài)，起重船左傾3°，前傾2°，同時受橫向風力時為最危險工況，此時扒桿構件的應力最大。

3.3打撈扒桿穩(wěn)定性校核

（1）校核準則

按照《規(guī)范》3.2.17.2，同時承受壓力和彎曲的構件，穩(wěn)定性衡準為：

式中：σm為構件承受的彎曲應力，MPa；σc為構件承受的壓應力，MPa；σs為鋼材屈服強度，MPa；σcr為構件的臨界的壓應力，MPa；根據(jù)構件的長細比和截面形狀決定；n為為安全系數(shù)。

備注：構件在x軸和y軸兩個方向同時承受彎曲應力時，式中的σm應以x軸向的彎曲應力σmx和y軸向的彎曲應力σmy之和代替之和。

按《規(guī)范》的附錄I，本扒桿為圓截面，羅伯遜常數(shù)α=3.5，由λ=80，查得臨界應力σcr，見表6。

表6　臨界壓應力等值Tab.6　Criticla compressive press

（2）穩(wěn)定性校核

各工況下整體穩(wěn)定性校核結果見表7。

表7　打撈扒桿整體穩(wěn)定性Tab.7　Stability of salvage boom

由表7可知扒桿的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，LC6即試驗工況的截面軸向應力最大，截面彎曲應力也為最大。所以扒桿在正常工作中滿足規(guī)范要求能夠安全作業(yè)。

打撈扒桿的應力大小如圖6、7所示。

圖6　工況6扒桿梁單元軸向應力云圖（MPa）Fig.6　LC6 salvage boom axial stress（MPa）

圖7　LC6扒桿梁單元彎曲應力云圖（MPa）Fig.7　LC6 salvage boom bending stress（MPa）

由圖6、7所示以工況6為例：扒桿軸向應力最大處出現(xiàn)在主桿，扒桿彎曲應力最大處也出現(xiàn)在主桿及扒桿頂部連接處。

4　結論

本文以1艘內(nèi)河250 t起重打撈船為研究對象，通過運用有限元分析打撈扒桿有限元模型，進行了該船打撈扒桿結構的強度和穩(wěn)定性校核，計算結果滿足中國海事局和中國船級社對內(nèi)河起重船的相關規(guī)范和規(guī)則，由于該船在工作狀態(tài)受到橫風工況為最危險工況，而且最大應力均出現(xiàn)在主桿和結構連接部位，所以對于連接部位結構應該給予加強。因此，為今后此類內(nèi)河小型起重船的臂架和結構的設計與優(yōu)化提供參考依據(jù)。

［1］楊輝.700 t起重船船體及千金柱有限元強度分析［J］.江蘇船舶，2009，26（6）：15-17.

［2］王立軍，王 偉.全回轉式起重船局部結構強度研究［J］.造船技術，2008（3）：15-18.

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

［4］中國船級社.鋼質(zhì)內(nèi)河船建造規(guī)范［S］.2009.

［5］中國船級社.船舶與海上設施起重設備規(guī)范［S］.2007.

［6］中國海事局.起重設備法定檢驗技術規(guī)則［S］.1999.

Finite Element Strength Analysis of Salvage Boom of 250 t Floating Crane

PANG Jun，XIE Yong-he
（School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022，China）

In this paper，by using the finite element analysis software，salvage boom finite element model of a certain 250 tons inland floating crane is established.In order to insure the stability and safety of salvage boom structure，the strength and stability of it under different working conditions are calculated through direct calculation method.First，the calculation of load in different working conditions is carried out.Secondly，the strength and stability of the salvage boom are evaluated.Through the above work，it provides some references for the salvage boom optimization for such small inland floating crane.

floating crane；boom；structural strength；stability

U661.42

A

1008-830X（2016）02-0155-05

2016-01-10

龐君（1987-），女，河南焦作人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機械化.