吊桿駁浮式起重機(jī)底部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)疲勞分析

周勇

摘? ? 要：本文介紹一種配備浮式起重機(jī)的的吊桿駁吊機(jī)基座底部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的分析方法;并以某集裝箱吊桿駁船為例，通過有限元軟件計(jì)算分析浮式起重機(jī)回轉(zhuǎn)各工況的應(yīng)力水平及應(yīng)力幅;針對(duì)其使用頻率，對(duì)比對(duì)應(yīng)的S-N曲線，驗(yàn)證其是否滿足要求。

關(guān)鍵詞：起重機(jī);回轉(zhuǎn);有限元分析;疲勞強(qiáng)度;S-N曲線

中圖分類號(hào)：U663.7? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Fatigue Analysis of Crane Bottom Strengthening

Structure for Derrick Barge

ZHOU Yong

（ Jiangmen Hangtong Shipbuilding Co.， Ltd. of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.， Ltd.， Jiangmen 529145 ）

Abstract： This paper introduces an analysis method of fatigue strength of the crane base bottom strengthening structure of the derrick barge. Taking a container derrick barge as an example， the stress level and stress amplitude of the strengthening structure for different slewing conditions are analyzed by finite element software.? According to the its use frequency， the corresponding S-N curve is compared to verify whether it meets the use requirements.

Key words： Crane; Slewing; Finite element analysis; Fatigue strength; S-N curve

1? ? 前言

我司承建的一艘箱型吊桿駁船，為鋼質(zhì)非自航雙殼駁船，主要裝載集裝箱貨物，航行作業(yè)于香港港灣水域。該船首部和尾部右舷主甲板上，分別設(shè)置一臺(tái) 50 t×45 m 吊機(jī)，兩臺(tái)吊機(jī)可同時(shí)進(jìn)行起吊作業(yè);船體中部為裝載集裝箱的貨艙區(qū)域，用于裝載集裝箱船卸下的貨柜;吊機(jī)筒體插入船底，筒體與甲板通過縱橫加強(qiáng)構(gòu)件與主船體結(jié)構(gòu)相連接，如圖1所示。

因港灣內(nèi)吊桿駁船上的作業(yè)吊機(jī)工作強(qiáng)度大、作業(yè)頻率高，為保證吊桿駁船作業(yè)的安全性，不僅需校核吊機(jī)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，還需要驗(yàn)證其與吊機(jī)筒體的連接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。

主要計(jì)算內(nèi)容包括：計(jì)算吊機(jī)吊重回轉(zhuǎn)各工況的重點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平;評(píng)估吊機(jī)吊重回轉(zhuǎn)工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力循環(huán)變化的應(yīng)力幅;針對(duì)結(jié)構(gòu)型式選定合適的S-N曲線;計(jì)算對(duì)應(yīng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)下的許用疲勞應(yīng)力;對(duì)比實(shí)際應(yīng)力幅與許用疲勞應(yīng)力，驗(yàn)證其可行性。因吊桿駁船體結(jié)構(gòu)首尾基本對(duì)稱，故只需要分析尾部結(jié)構(gòu)即可。

2? ? ?回轉(zhuǎn)工況應(yīng)力分析

2.1? ?吊機(jī)筒體結(jié)構(gòu)與船體的連接與加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

吊機(jī)筒體直徑4 500 mm，筒體從主甲板插入船體底部，在主甲板及船底板處與甲板板架及船底板架連接，并通過縱橫構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng);甲板縱桁與強(qiáng)肋骨在筒體處間斷，并與筒體通過角接焊縫連接，如圖2所示。

2.2? 有限元模型

有限元模型采用局部立體結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。主要結(jié)構(gòu)（如吊機(jī)筒體、甲板、甲板縱桁、強(qiáng)橫梁等）均采用ANSYS APDL的shell181 4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬;次要構(gòu)件（如甲板縱骨等）用beam188鐵木辛柯梁模擬;模型在艙壁位置采用固端約束;筒體頂部節(jié)點(diǎn)通過剛性區(qū)域主從節(jié)點(diǎn)型式，將筒體上節(jié)點(diǎn)約束于中心處，便于施加集中力和彎矩[4]。

2.3? ?設(shè)計(jì)工況應(yīng)力計(jì)算

由于該吊桿駁船只在香港港灣內(nèi)從事集裝箱調(diào)運(yùn)作業(yè)，波浪載荷以及風(fēng)荷載對(duì)船體結(jié)構(gòu)基本無影響，且首尾吊機(jī)分別位于船中0.4 L以外，主要縱向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)不參與船體梁總縱強(qiáng)度，故只需考慮局部荷載。

該吊機(jī)最大起吊能力為50 t×45 m，考慮試吊110%荷載，即設(shè)計(jì)最大傾覆力矩為24 255 kN.m;垂向荷載（包括吊機(jī)自重及吊重），合計(jì)4 410 kN;并以吊臂與船長(zhǎng)方向軸線的夾角以45°為間隔，劃分為8個(gè)工況[5];回轉(zhuǎn)力矩與傾覆力矩相比微乎其微，故不作考慮。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在最大設(shè)計(jì)工況下，吊機(jī)底部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力、剪應(yīng)力、相當(dāng)應(yīng)力均滿足《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，即結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

2.4? ?高頻使用工況應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)吊桿駁作業(yè)的統(tǒng)計(jì)資料及該吊機(jī)的高頻使用工況，在計(jì)算實(shí)際使用工況下的疲勞強(qiáng)度時(shí)，以吊機(jī)吊重25 t，回轉(zhuǎn)半徑40 m作為典型使用工況，同樣以吊臂與船長(zhǎng)方向軸線的夾角45°為間隔，劃分為8個(gè)工況。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，筒體內(nèi)甲板縱桁與筒體連接部位以及甲板強(qiáng)肋骨與筒體連接部位的應(yīng)力變化幅度最大，最容易發(fā)生疲勞破壞。典型使用工況下的應(yīng)力水平，如圖4、圖5所示;各工況最大正應(yīng)力與最小正應(yīng)力，如表1所示;最大剪應(yīng)力與最小剪應(yīng)力，如表2所示。

3? ? ?結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算

3.1? ?疲勞強(qiáng)度的快速計(jì)算

根據(jù)《船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》船舶結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容以及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》疲勞計(jì)算相關(guān)章節(jié)，S-N曲線采用英國(guó)能源部經(jīng)過修正的非管節(jié)點(diǎn)的基本S-N曲線。

在結(jié)構(gòu)使用壽命期間，當(dāng)常幅疲勞或變幅疲勞的最大應(yīng)力幅Δσ和最大剪力幅Δτ符合下列公式時(shí)，則疲勞強(qiáng)度滿足要求：

3.2? ?正應(yīng)力常幅疲勞計(jì)算

3.3? ?剪應(yīng)力常幅疲勞計(jì)算

如表1、表2可知，左縱桁和后肋骨的正應(yīng)力幅最大，分別達(dá)到了52.9 MPa和54.0 MPa，后強(qiáng)肋骨的最大剪應(yīng)力幅達(dá)到了38.1 MPa，均未超過許用循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力幅。因此，吊機(jī)在實(shí)際使用的典型吊重回轉(zhuǎn)工況下，能滿足疲勞強(qiáng)度的要求，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

4? ? 總結(jié)

本文根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》、《船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)》以及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)吊機(jī)筒體與甲板底部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的連接部位進(jìn)行了強(qiáng)度分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較大的部位進(jìn)行了疲勞分析：

（1）吊桿駁在吊機(jī)最大設(shè)計(jì)吊重各回轉(zhuǎn)工況下（考慮吊重試驗(yàn)110%荷載），其吊機(jī)筒體底部主要加強(qiáng)構(gòu)件正應(yīng)力、剪應(yīng)力、相當(dāng)應(yīng)力均小于《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》中的許用正應(yīng)力，強(qiáng)度和剛度均滿足規(guī)范及實(shí)際使用需求;

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于筒體與底部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的連接部位，尤其是應(yīng)力集中區(qū)域與循環(huán)應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)域重疊處，尤其應(yīng)引起重視，可通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)型式、合理選擇節(jié)點(diǎn)連接方式，采用肘板或者增加結(jié)構(gòu)板厚的形式減小應(yīng)力幅;

（3）在計(jì)算高頻循環(huán)荷載考慮疲勞強(qiáng)度時(shí)，尤其應(yīng)注意不同構(gòu)件間節(jié)點(diǎn)連接型式，在直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)中，特別是垂直于受力方向的焊縫，不應(yīng)采用部分焊透的對(duì)接焊縫或者角焊縫。

參考文獻(xiàn)

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[3]中國(guó)船級(jí)社：船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南[M].北京：人民交通出版社，2015.

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

[5]張健，昌滿，何文心.海上過駁平臺(tái)全船強(qiáng)度計(jì)算及基座結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案[J].造船技術(shù)，2017（1）.