裝船機(jī)海上運(yùn)輸剛性系固方案校核研究

左惟東 蔣祁珺

1 中外運(yùn)沙倫氏物流有限公司 上海 200120；2 中國(guó)外運(yùn)大件物流有限公司 上海 200120

大型裝船機(jī)、海上石油開采設(shè)備等大型重工設(shè)備普遍具有重心高、質(zhì)量大的特點(diǎn)，若不能針對(duì)貨物采取適當(dāng)積載和有效系固，會(huì)導(dǎo)致貨損的發(fā)生。對(duì)這類貨物系固方案進(jìn)行有效性校核是海運(yùn)安全中極為重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的剛性系固方案校核計(jì)算前提是假定整個(gè)設(shè)備平均受力。但是實(shí)際操作中，系固設(shè)備的受力相對(duì)復(fù)雜，并不是簡(jiǎn)單的均勻受力，且該剛性系固校核方法忽視了船體和重大件設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。剛性系固方案的校核應(yīng)包括載運(yùn)船舶、重大件設(shè)備及其剛性系固桿件三個(gè)方面。當(dāng)三者的強(qiáng)度均滿足要求時(shí)，方可判定該系固方案是安全有效的。針對(duì)某一裝船機(jī)海運(yùn)系固方案，借助ANSYS 軟件對(duì)載運(yùn)船舶、裝船機(jī)主機(jī)和系固桿件進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果顯示該系固方案安全可靠。

1 船舶與貨物資料

該案例中采用一艘經(jīng)改裝后正常營(yíng)運(yùn)的甲板駁船，船舶資料如表1 所示。所載運(yùn)的重大件貨物為裝船機(jī)分段，包括主機(jī)兩部分及尾車兩部分，如圖1 所示。

圖1 裝船機(jī)積載圖

表1 甲板駁船資料

NO.1 號(hào)主機(jī)為最危險(xiǎn)的對(duì)象，所以選取NO.1 主機(jī)作為校核對(duì)象，其長(zhǎng)度為17.00m、寬度為51.25m、高度為26.46m、運(yùn)輸重量為1230.7t。

2 貨物剛性系固方案

No.1 號(hào)主機(jī)通過螺旋鋼管與船體甲板焊接為一體，它有四個(gè)主腿，每個(gè)主腿上由三根螺旋鋼管- 插板組合成的系固設(shè)備進(jìn)行剛性系固，共計(jì)12 個(gè)系固設(shè)備。該螺旋鋼管的材質(zhì)為Q235，規(guī)格分別為：Φ920×12、Φ820×10。插板的材質(zhì)為Q345。

3 邊界條件

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《海上拖航指南》中對(duì)外力的計(jì)算方法，NO.1 號(hào)主機(jī)所受橫向風(fēng)壓力為561.8kN，縱向風(fēng)壓力為370.3kN；橫向波濺力為32kN，縱向波濺力為46kN；橫向加速度為5.54 m/ s2，縱向加速度為1.38 m/ s2，垂向加速度為3.0 m/ s2。

4 裝船機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

4.1 模型建立

采用實(shí)體建模，對(duì)裝船機(jī)NO.1 主機(jī)及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)桿件系統(tǒng)進(jìn)行分析，模型建立中所使用的材料為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為2.06×1011N/ m2，泊松比為0.3。裝船機(jī)有限元模型如圖2 所示。

圖2 裝船機(jī)有限元模型

4.2 分析結(jié)果

通過ANSYS 對(duì)六種工況下的系統(tǒng)求解，各工況下的應(yīng)力云圖如圖3 所示。根據(jù)分析結(jié)果可知，采用螺旋鋼管對(duì)貨物整體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固后，系統(tǒng)整體的應(yīng)力極值主要分布在裝船機(jī)臂架下端的加固桿上，應(yīng)力極值均小于材料的許用應(yīng)力。因此，判定裝船機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是滿足要求的。

圖3 各工況下的應(yīng)力云圖

5 系固桿件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度核算

5.1 模型建立

建立螺旋鋼管和插板的有限元模型時(shí)，為了使分析計(jì)算結(jié)果精度更高，對(duì)模型的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行了還原，如倒角、小孔。剛性系固桿件(螺旋鋼管和插板的組合)的有限元模型如圖4 所示。

圖4 系固桿件有限元模型

5.2 邊界條件

對(duì)各綁扎件所受軸向力分析發(fā)現(xiàn)，受力最大的綁扎桿件為E5- 2 螺旋鋼管，其所受拉力值最大：FX=2967400N，MY=54390000N·mm，MZ=2.61×108N·mm。

5.3 分析結(jié)果

對(duì)螺旋鋼管和兩端的插板進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果如圖5 所示。由圖可知，綁扎件的應(yīng)力極值均在桿件材料的安全負(fù)荷范圍內(nèi)，桿件的強(qiáng)度滿足安全需求。桿件最危險(xiǎn)工況的校核結(jié)果發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力極值均發(fā)生在螺旋鋼管與插板連接處，且表現(xiàn)為應(yīng)力值急速上升，故應(yīng)將該處視為危險(xiǎn)點(diǎn)，可施加應(yīng)力釋放孔來降低該處的高應(yīng)力值，緩解應(yīng)力集中。

圖5 綁扎件應(yīng)力云圖

6 船體局部強(qiáng)度校核

6.1 模型建立

案例中的船型規(guī)模：縱向范圍為28132mm，橫向型寬32261mm，單側(cè)14 根縱骨，縱骨間距640mm，單側(cè)8 根旁桁材，肋骨間距1380mm。建模時(shí)對(duì)船體作了簡(jiǎn)化處理，部分小開孔忽略不計(jì)。船體結(jié)構(gòu)均為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為2.06×1011N/ mm2，泊松比為0.3，材料密度為7.85g/ cm3。根據(jù)船舶圖紙，本船的艙段有限元模型如圖6 所示。

圖6 艙段有限段模型

6.2 分析結(jié)果

船體部分六種不同的載荷工況，再加載靜水壓力和自重載荷，求解，分析結(jié)果的應(yīng)力云圖如圖7 所示。由圖可見，船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力極值最大為74.3MPa，各結(jié)構(gòu)件均未超過其許用應(yīng)力值，表明該船舶的局部強(qiáng)度滿足規(guī)范的要求。

圖7 船舶艙段應(yīng)力圖

綜上所述，基于ANSYS 的NO.1 號(hào)主機(jī)剛性系固方案校核結(jié)果顯示：NO.1 號(hào)主機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛性系固設(shè)備強(qiáng)度和局部船體強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。因此，NO.1 號(hào)主機(jī)的剛性系固方案安全有效。

7 結(jié)束語(yǔ)

基于直接計(jì)算法對(duì)裝船機(jī)系固方案進(jìn)行校核是一套行之有效的辦法，且借助計(jì)算分析軟件分別對(duì)裝船機(jī)、載運(yùn)船舶和系固件的強(qiáng)度進(jìn)行分析，能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度薄弱區(qū)域，進(jìn)而提出針對(duì)性的結(jié)構(gòu)改良措施，確保整個(gè)系統(tǒng)在海上運(yùn)輸過程中強(qiáng)度均滿足要求，進(jìn)一步保證了海上運(yùn)輸?shù)陌踩?。此校核辦法在實(shí)際工程中具有較強(qiáng)的實(shí)用性，可推廣至重大件設(shè)備海上運(yùn)輸系固方案的校核。