某科考船起重設(shè)備甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與探討

余 倩，范 銘，高海軍，張重洋，徐幼娟，葉 帆

(武漢船舶設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢430064)

0 引言

某科學(xué)考察船甲板上安裝的液壓折臂吊機(jī)主要用于布放回收科考作業(yè)設(shè)備及輔助工作艇。液壓折臂吊的工作特點(diǎn)是負(fù)載大、力臂長(zhǎng)、作業(yè)海況復(fù)雜，導(dǎo)致其傾覆力矩和回轉(zhuǎn)力矩較大，往往對(duì)甲板及其支撐結(jié)構(gòu)有較高的強(qiáng)度要求［1-2］。隨著有限元分析方法的普及和應(yīng)用，船舶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析和計(jì)算校核也越來(lái)越多地采用有限元分析方法。張超［1］通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形結(jié)果進(jìn)行分析，確定主要破壞載荷和載荷傳遞的方式及強(qiáng)度不足的部位和原因。李強(qiáng)［2］闡述了甲板設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)有限元結(jié)構(gòu)分析方法，以及在加載過(guò)程中應(yīng)該注意的受力轉(zhuǎn)換。本文以某科學(xué)考察船為例，采用ANSYS有限元計(jì)算軟件，分析和探討甲板支撐結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)方案和效果，為科考船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 船舶基本情況

1．1 船舶主要參數(shù)

總長(zhǎng) 45．0 m

船寬 8．4 m

型深 4．0 m

設(shè)計(jì)吃水 2．6 m

肋骨間距 0．5 m

1．2 參考規(guī)范

本船結(jié)構(gòu)分析依據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2012)、《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》2014綜合文本、《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》(2007)等。

1．3 材料特性

本文所涉及的主甲板結(jié)構(gòu)和船艉結(jié)構(gòu)的鋼材均為船用結(jié)構(gòu)鋼B級(jí)，材料特性及屈服強(qiáng)度見表1。

表1 船用鋼材料特性及屈服強(qiáng)度

1．4 許用應(yīng)力

按照《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》2014綜合文本第3．5．1．12條要求，在各種工況下，甲板支承結(jié)構(gòu)(船體用結(jié)構(gòu)鋼B級(jí))的計(jì)算應(yīng)力應(yīng)不大于表2中的許用值。

表2 結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力

2 無(wú)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的艙段模型計(jì)算

2．1 艙段模型

由于吊機(jī)中心位于Fr16橫艙壁上的甲板中線面內(nèi)，所以局部強(qiáng)度計(jì)算模型根據(jù)Fr10至Fr22的船體結(jié)構(gòu)及吊機(jī)基座下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。在ANSYS三維笛卡爾坐標(biāo)系中建立起重設(shè)備甲板支撐結(jié)構(gòu)立體艙段(Fr10至Fr22)有限元計(jì)算模型。以平行基線850 mm的水平線與Fr10交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，船長(zhǎng)方向?yàn)閄軸，正方向由船艉指向船首;艙寬方向?yàn)閅軸，正方向由船中指向左舷;型深方向?yàn)閆軸，正方向由基線指向甲板。計(jì)算中將甲板板及基座板、橫艙壁板和舷側(cè)外板、船底板均用Shell181板殼單元離散，將甲板、舷部外板、橫艙壁板以及船底板上的縱橫構(gòu)架均采用Beam188梁?jiǎn)卧x散。

立體艙段三維有限元計(jì)算模型如圖1所示。模型中單元總數(shù)6 478個(gè)，其中Shell63單元4 429個(gè)，beam188單元2 048個(gè)，MASS21單元1個(gè)。

圖1 有限元計(jì)算模型

2．2 邊界條件

根據(jù)實(shí)際情況，在Fr10船體結(jié)構(gòu)的邊緣與Fr22船體結(jié)構(gòu)的邊緣施加簡(jiǎn)支邊界條件，具體情況見表3。表中，rot為自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

表3 邊界條件表

參考相關(guān)計(jì)算分析指南，還應(yīng)將起重吊機(jī)支撐中心建立1個(gè)獨(dú)立點(diǎn)MPC，將起重吊機(jī)基座下的有關(guān)節(jié)點(diǎn)的 ux，uy，uz，θx，θy，θz與其相關(guān)聯(lián)，即建立剛性域，其模型圖如圖2所示。

圖2 邊界條件和剛性域

2．3 施加載荷

根據(jù)起重設(shè)備廠商提供的主要性能參數(shù)及設(shè)計(jì)參數(shù)，吊機(jī)中心高度為甲板以上5 000 mm。當(dāng)?shù)鯔C(jī)吊起2 t重物并以最大回轉(zhuǎn)半徑工作時(shí)，液壓折臂吊機(jī)對(duì)甲板的最危險(xiǎn)作用力矩(顛覆力矩)Mmax為180 kN·m，對(duì)甲板最大壓力 Fzmax為 55．0 kN，此時(shí)作用在甲板上的最大回轉(zhuǎn)力矩M為30．0 kN·m，假設(shè)其作用于吊桿支撐中心獨(dú)立點(diǎn)MPC位置。鑒于吊機(jī)可以在360°范圍內(nèi)全回轉(zhuǎn)，本文以3種極端工況來(lái)進(jìn)行分析。假定當(dāng)?shù)醣鄢蛴蚁希璝軸方向?yàn)?°作為第1種工況，第2種工況是吊臂轉(zhuǎn)向船艉，也就是與Y軸成90°的－X方向，而吊臂向后旋轉(zhuǎn)45°可作為第3種工況，其數(shù)值見表4。表中載荷位置見圖2。

表4 3種工況計(jì)算載荷表

2．4 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算結(jié)果見表5，應(yīng)力云圖如圖3～圖5所示。

由表5可以看出，3種工況下立體艙段板單元的最大相當(dāng)應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力均滿足許用應(yīng)力要求;工況1和工況3下梁?jiǎn)卧淖畲笙喈?dāng)應(yīng)力滿足許用應(yīng)力要求，而工況2則超出許用范圍。

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出，工況2傾覆力矩沿船寬方向施加時(shí)，在Fr13至Fr16和Fr16至Fr19甲板區(qū)域會(huì)產(chǎn)生很大的彎矩，而甲板橫向多為次要構(gòu)件，縱向主要構(gòu)件間距太大，甲板無(wú)加強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)，僅有交叉構(gòu)件承擔(dān)載荷作用，因此甲板產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)域，最大相當(dāng)應(yīng)力為156．82 MPa，已偏于危險(xiǎn);交叉構(gòu)件梁?jiǎn)卧南喈?dāng)應(yīng)力值為223．36 MPa，大于梁?jiǎn)卧S用應(yīng)力［σ］，如果不進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)則可能對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞。

3 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的模型計(jì)算和分析

3．1 艙段模型和邊界條件

由以上的計(jì)算和分析可以看出，立體艙段僅在工況2的載荷作用下，梁?jiǎn)卧南喈?dāng)應(yīng)力大于許用應(yīng)力，不能滿足規(guī)范要求，因此，本文僅進(jìn)行工況2的計(jì)算和分析，邊界條件不變。3種工況下的板單元剪切應(yīng)力均已滿足規(guī)范要求。

表5 典型工況下模型主要構(gòu)件計(jì)算結(jié)果

圖3 甲板、橫艙壁、基座和梁?jiǎn)卧南喈?dāng)應(yīng)力云圖(工況1)

圖4 甲板、橫艙壁、基座和梁?jiǎn)卧南喈?dāng)應(yīng)力云圖(工況2)

圖5 甲板、橫艙壁、基座和梁?jiǎn)卧南喈?dāng)應(yīng)力云圖(工況3)

3．2 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)方案描述

方案1:將甲板橫梁改為強(qiáng)橫梁，即將角鋼L75 mm×50 mm×5 mm改為⊥

方案2:增加甲板縱桁的數(shù)量。

方案3:將基座下甲板厚度增加至20 mm。

方案4:在Fr15和Fr17船中各增加Ф108 mm支柱2根，支柱的上底座安裝在甲板中縱桁上，下底座安裝在中內(nèi)龍骨上。

3．3 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算結(jié)果見表6，應(yīng)力云圖分別見圖6～圖9。

圖6 甲板、橫艙壁、基座和梁?jiǎn)卧南喈?dāng)應(yīng)力云圖(方案1)

圖7 甲板、橫艙壁、基座和梁?jiǎn)卧南喈?dāng)應(yīng)力云圖(方案2)

圖8 甲板、橫艙壁、基座和梁?jiǎn)卧南喈?dāng)應(yīng)力云圖(方案3)

圖9 甲板、橫艙壁、基座和梁?jiǎn)卧南喈?dāng)應(yīng)力云圖(方案4)

由以上結(jié)果可以看出，方案3雖然增加了甲板厚度，但并未改變甲板和橫艙壁交叉構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，因此對(duì)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度效果不明顯。甲板交叉構(gòu)件梁?jiǎn)卧南喈?dāng)應(yīng)力為185．72 MPa，仍大于許用應(yīng)力［σ］，且橫艙壁上的交叉構(gòu)件梁?jiǎn)卧南喈?dāng)應(yīng)力為144．45 MPa，也偏于危險(xiǎn)，方案3不可選用。但考慮幾種方案的相當(dāng)應(yīng)力分布情況，為防止基座肘板端部與船體甲板焊接處應(yīng)力集中而造成甲板破壞，基座下甲板還應(yīng)加厚2～3 mm。

方案1將甲板橫梁改為強(qiáng)橫梁，看似并未對(duì)縱向加強(qiáng)，但實(shí)際上，強(qiáng)橫梁與甲板縱桁形成了橫向的T型材箱體結(jié)構(gòu)。未作加強(qiáng)前，橫向次要構(gòu)件剖面模數(shù)和慣性矩與縱向主要構(gòu)件不匹配，而傾覆力矩通過(guò)基座主要傳遞到Fr15和Fr17甲板上，因此在Fr15和Fr17甲板中縱桁上形成高應(yīng)力點(diǎn)。經(jīng)方案1改進(jìn)結(jié)構(gòu)，橫向和縱向均為主要構(gòu)件，剖面模數(shù)匹配，因此高應(yīng)力點(diǎn)消除，原本集中的應(yīng)力分散到周圍各個(gè)交叉點(diǎn)，甲板交叉構(gòu)件的相當(dāng)應(yīng)力有明顯降低，在一定程度上起到加強(qiáng)甲板縱向結(jié)構(gòu)的作用，效果較顯著?？紤]到實(shí)際施工時(shí)，需特別注意一點(diǎn)，如果艙段施工建造后再進(jìn)行更改，則較為費(fèi)工費(fèi)時(shí)。

方案2增加甲板縱桁的數(shù)量，與強(qiáng)橫梁一起形成縱向的T型材箱式結(jié)構(gòu)。未作加強(qiáng)前，傾覆力矩通過(guò)基座主要傳遞到Fr15和Fr17甲板上，縱向主要構(gòu)件之間間距較大，產(chǎn)生的剖面慣性矩偏大，因此在Fr15和Fr17甲板中縱桁上形成高應(yīng)力點(diǎn)。方案2增加甲板縱桁數(shù)量后，縱向構(gòu)件間的跨距大大降低，甲板縱桁產(chǎn)生的剖面慣性矩降低，高應(yīng)力點(diǎn)消除，集中應(yīng)力分散。方案2增強(qiáng)了甲板縱向的承載能力，效果顯著，即使艙段已經(jīng)施工建造完成，也能快速進(jìn)行更改，施工難度小，可行性高，因此方案2可選。

表6 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)模型主要構(gòu)件計(jì)算結(jié)果

方案4采用2根支柱支撐在縱向構(gòu)件與橫向構(gòu)件的交叉點(diǎn)上。未作加強(qiáng)前，傾覆力矩通過(guò)基座主要傳遞到Fr15和Fr17甲板上，甲板構(gòu)件交叉點(diǎn)處于無(wú)支撐狀態(tài)，承載長(zhǎng)度和寬度較大，大面積的載荷集中在構(gòu)件交叉點(diǎn)上，產(chǎn)生高應(yīng)力點(diǎn)。在Fr15和Fr17船中增加支柱后，構(gòu)件交叉點(diǎn)被支柱支撐，承載的長(zhǎng)度和寬度均大大降低，載荷面積減小，集中應(yīng)力分散。方案4增強(qiáng)甲板縱向的承載能力，效果顯著，且施工難度不大。結(jié)合本船的實(shí)際情況，在征得總體設(shè)計(jì)人員同意且不影響主機(jī)和軸系安裝的前提下，可行性高，因此方案4可選。

4 結(jié)論

(1)在可選的安裝范圍內(nèi)，建議將甲板起重設(shè)備設(shè)置在垂向艙壁上。本文起重設(shè)備已經(jīng)確定安裝在有橫艙壁的甲板上，因此艙段結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)主要集中在縱向，也就是船長(zhǎng)方向。

(2)增加甲板縱桁數(shù)量和增加甲板下支柱2種方案能大幅提高艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，效果顯著，便于施工，在船舶設(shè)計(jì)中均可考慮。

(3)由于本船F(xiàn)r16至Fr35甲板下為機(jī)艙區(qū)域，因此，增加支柱時(shí)還應(yīng)考慮施工是否方便，不能影響主機(jī)、軸系等重要設(shè)備的安裝。

［1］ 張超，紀(jì)肖，凌偉．起重機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［J］．船海工程，2014，43(6):54-59．

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