自卸式運(yùn)砂船輸送臂基座及掛臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

秦言明，俞伊姍

（1.浙江歐華造船股份有限公司，浙江舟山 316101；2.浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022）

自卸式運(yùn)砂船輸送臂基座及掛臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

秦言明1，俞伊姍2

（1.浙江歐華造船股份有限公司，浙江舟山 316101；2.浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022）

利用MSC/Nastran軟件，通過施加載荷和限定邊界條件，針對四種典型工況，對加強(qiáng)后的自卸式運(yùn)砂船輸送臂基座及掛臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析。有限元分析結(jié)果表明，加強(qiáng)后的應(yīng)力結(jié)果能夠滿足設(shè)計(jì)要求，并呈現(xiàn)出了比較合理的應(yīng)力分布。通過有限元分析得到的結(jié)論對同類型輸送臂基座及掛壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析有一定的參考價(jià)值。

掛臂；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；有限元分析

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工程建設(shè)市場也隨之迅猛發(fā)展，對砂石的需求也日益增長，砂石運(yùn)輸船舶數(shù)量、運(yùn)量逐年增長，其中自卸式運(yùn)砂船的發(fā)展尤為迅猛。自卸式運(yùn)砂船的結(jié)構(gòu)、布置與常規(guī)的運(yùn)砂船存在很大的區(qū)別，是一種存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)的船舶[1]。

輸送臂基座及掛臂結(jié)構(gòu)是自卸式運(yùn)砂船上重要的受力結(jié)構(gòu)，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞很大程度上影響著運(yùn)沙船的作業(yè)質(zhì)量和安全[2]。本文根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》[3](以下簡稱規(guī)范)要求在對一首典型的自卸式運(yùn)沙船進(jìn)行有限元分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)在船體羅經(jīng)甲板前端壁中部，居住甲板前端壁及側(cè)壁處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中。根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的特點(diǎn)，本文對應(yīng)力集中的危險(xiǎn)區(qū)域提出了加強(qiáng)措施，并采用MSC.PATRAN/NASTRAN軟件對加強(qiáng)后的設(shè)計(jì)建立模型并進(jìn)行分析[4]，以期為同類型輸送臂基座及掛壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析提供參考依據(jù)。

1 有限元模型及加強(qiáng)說明

1.1 有限元模型

自卸式運(yùn)砂船主要參數(shù)：船體總長93.2 m；結(jié)構(gòu)計(jì)算船長89.0 m；型寬16.0 m；型深6.4 m；吃水4.9 m。根據(jù)圖紙資料及規(guī)范要求，縱向選取肋位Fr-3～肋位Fr28，橫向選取整個(gè)船寬，垂向選取尾升高甲板下29 50 mm至上層建筑頂端為計(jì)算有限元模型范圍。主船體各構(gòu)件采用板或梁單元模擬、掛臂吊點(diǎn)采用體單元模擬。坐標(biāo)系統(tǒng)采用右手坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于船中尾升高甲板上（肋位#19），x軸向船首為正方向，y軸向左舷為正方向，z軸向上為正方向。四種工況下的有限元模型見圖1。

圖1 有限元模型Fig.1 FEM model

1.2 設(shè)計(jì)加強(qiáng)說明

根據(jù)有限元分析的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，為滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，需要對結(jié)構(gòu)做出加強(qiáng)?？紤]不過多增加施工的難度及建造成本[5]，現(xiàn)將羅經(jīng)甲板前端壁中部扶墻材尺寸由L90×56×8改為T型材見圖2a。居住甲板前端壁距中2 100 mm處扶墻材尺寸由原改L125×80×8為L160×100×12，見圖2b。居住甲板側(cè)壁位于FR7肋位處扶墻材尺寸由原L75×50×5改為L125×50×10，見圖2c（圖中僅顯示右舷，左舷應(yīng)對稱加強(qiáng)）。

圖2 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)圖Fig.2 Structural strengthening diagram

2 載荷及邊界條件處理

各部件所用鋼材為普通鋼,計(jì)算中取材料的物理特性參數(shù)為：彈性模量（E）：2.06×105N/mm2,泊松比（μ）：0.3，密度（ρ）：7.85×10-9t/mm2。模型的兩端邊界條件采用自由支持。

在運(yùn)砂船裝卸工作下需要轉(zhuǎn)動掛臂，考慮到結(jié)構(gòu)及載荷的對稱性，計(jì)算中選取輸送臂與x軸分別成0°、90°，每種工況分別選取大梁拉起微小角度與大梁拉起10°兩種工況共（2×2）四種工況對輸送臂基座及掛臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析和校核。

本文在計(jì)算工況載荷時(shí)考慮了輸送臂主副橋的自重、上下皮帶自重、主橋卷揚(yáng)機(jī)自重及輸送時(shí)的河沙重?？紤]到河砂輸送過程中的輸送載荷及安全系數(shù)的設(shè)定等，本文取1.4的載荷系數(shù)[6]。主橋卷揚(yáng)機(jī)自重以均布力的形式加在主橋尾部，其余各力均以均布力的形式施加在整個(gè)輸送臂上。最后在輸送臂模型上讀取所需的輸送臂基座受力及掛壁吊點(diǎn)受力。各載荷具體數(shù)值見表1。輸送臂基座及掛臂吊點(diǎn)上的載荷均以建立MPC點(diǎn)的形式進(jìn)行施加。

表1 各工況計(jì)算載荷Tab.1 Load cases

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 許用應(yīng)力強(qiáng)度衡準(zhǔn)

根據(jù)規(guī)范要求，按照以下衡準(zhǔn)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核。

3.2 輸送臂基座及掛臂結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

通過有限元計(jì)算，可知輸送臂及掛臂結(jié)構(gòu)在各工況下的相應(yīng)最大應(yīng)力及變形值見表2。從表2可以看出各項(xiàng)應(yīng)力均在工況一下呈現(xiàn)最大值，工況一的變形及應(yīng)力云圖見圖3～6。

表2 最大應(yīng)力及變形值Tab.2 The maximum stress and deformation

3.3 討論及分析

應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：(1)在四種工況下，輸送臂基座及結(jié)構(gòu)應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，變形量較小，符合設(shè)計(jì)要求；（2）應(yīng)力及變形的最大處均出現(xiàn)在掛臂的吊耳處，這是因?yàn)檩斔捅墼诠ぷ鲿r(shí)，變幅約束及工作載荷主要作用在掉頭上，導(dǎo)致該部位的應(yīng)力及變形較大；（3）加強(qiáng)后，應(yīng)力及變形呈現(xiàn)了合理的分布。對于原來四個(gè)應(yīng)力集中，強(qiáng)度不符合要求的地方，經(jīng)過結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后，均有了很大的改善，說明了本文對該設(shè)計(jì)的加強(qiáng)是合理有效的。

圖3 變形圖（mm）Fig.3 Deformation

圖4 甲板及艙壁表面等效應(yīng)力云圖（MPa）Fig.4 Von Mises stress of deck and bulkhead

圖5 梁系的最大組合應(yīng)力云圖（MPa）Fig.5 Bar maximum combined stresses

圖6 梁系的最小組合應(yīng)力云圖（MPa）Fig.5 Bar minimum combined stresses

4 結(jié)語

本文通過MSC/Nastran軟件，對不符合強(qiáng)度要求的自卸式運(yùn)砂船輸送臂基座及掛臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化加強(qiáng)，并對加強(qiáng)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析。分析結(jié)果表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求，本文提出的優(yōu)化加強(qiáng)是有效可行的，為以后類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和加強(qiáng)提供了思路。除此之外，本文計(jì)算的四種工況結(jié)果表明，掛臂的吊耳是整個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，在自卸式運(yùn)砂船的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮載荷，并做適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)。

[1]劉利瀟.關(guān)于海上自卸運(yùn)砂船結(jié)構(gòu)若干問題的研究[J].船舶標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量,2015(3):43-45.

[2]楊家軍,王建波,張盛華.四種工況下挖泥船吊機(jī)的有限元分析[J].現(xiàn)代機(jī)械,2012(6):44-47.

[3]中國船級社.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.

[4]張曉君.基于Nastran的船舶局部強(qiáng)度有限元分析[J].浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,25(3):295-300.

[5]胡學(xué)明,嚴(yán) 剛.船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的實(shí)踐[J].湖南交通科技,2008,34(3):143-146.

[6]朱遠(yuǎn)臻.內(nèi)河自卸砂船伸縮型輸送帶裝置的研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2012.

Strength Analysis of the Arm and Its Base of A Tipper

QIN Yan-ming1,YU Yi-shan2
（1.Zhejiang Ouhua Shipbuilding Co LTD,Zhoushan 316101；2.School of Naval Architecture and Mechanical-electrical Engineering，Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China）

Using MSC/Nastran software,the strength of the arm and its base of tipper are analyzed by applying the load and the boundary condition.The finite element analysis is carried out for the four typical working conditions.The results of finite element analysis show that the stress results can meet the design requirements and show a reasonable stress distribution.The conclusion obtained by the finite element analysis has certain reference value for the design and strength analysis of the same kind of transport arm base and wall structure.

boom；strength；finite element analysis

U674.134.1

A

1008－830X(2017)03－0278－04

2017-02-14

秦言明（1963-），男，浙江舟山人，高級工程師，研究方向：船舶建造工藝技術(shù).