90 m加油船輸油臂基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

劉 聰，張 偉

(1.招商局金陵鼎衡船舶(揚(yáng)州)有限公司, 江蘇 揚(yáng)州 225217;2.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 南京 211170)

0 引言

輸油臂是加油船的重要部分之一，輸油臂作業(yè)時(shí)，將輸油臂船上的接頭和泊位上的管線(xiàn)連接起來(lái)，通過(guò)船上的動(dòng)力裝置，將船艙里的油送到管線(xiàn)里，再順著管線(xiàn)送到罐區(qū)或者裝車(chē)區(qū)。這些操作導(dǎo)致船舶輸油臂部位工作強(qiáng)度高、使用頻繁，所以通過(guò)精確的計(jì)算來(lái)判斷該處基座結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足工作需要就至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)輸油臂基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其在實(shí)際工作環(huán)境下的應(yīng)力情況，有利于使用方清楚了解設(shè)備工作情況。

某起重船針對(duì)在直升機(jī)和行車(chē)各自及載荷聯(lián)合作用下上層建筑甲板的屈服強(qiáng)度和舷側(cè)結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度，應(yīng)用有限元方法進(jìn)行了強(qiáng)度分析，各工況計(jì)算結(jié)果均達(dá)到規(guī)范要求。有限元方法雖在船舶領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但并未擴(kuò)展到加油船輸油臂基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算。

本文以某90 m加油船為研究對(duì)象，采用有限元軟件MSC.Patran/ Nastran，對(duì)該加油船在輸油臂0°、45°、90° 3種回轉(zhuǎn)角度下的基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2018)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》)進(jìn)行了校核。

1 有限元模型建立

1.1 主尺度

90 m加油船是一種搭載柴油機(jī)動(dòng)力、具備雙螺旋槳推進(jìn)形式、雙舵機(jī)操縱的近海航區(qū)輸油船，其船體結(jié)構(gòu)形式為混合骨架式，底部采用雙層底、雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)形式，且艏艉對(duì)稱(chēng)、左右舷側(cè)對(duì)稱(chēng)。

主要參數(shù)下：

總長(zhǎng)90.0 m，型深2.5 m，型寬14.0 m，梁拱0.14 m，設(shè)計(jì)吃水1.0 m。

1.2 坐標(biāo)系定義

坐標(biāo)系定義為：本文計(jì)算取直角坐標(biāo)系；軸沿船長(zhǎng)指向船首為正，軸沿船寬指向左舷為正，軸沿型深向上為正。

1.3 艙段有限元模型

本模型的縱向范圍為Fr115～Fr123，橫向范圍為右舷舷側(cè)到第1個(gè)強(qiáng)肋位處，垂向范圍為船體型深。由于在甲板右舷2個(gè)肋位處的結(jié)構(gòu)具有相似性，因此計(jì)算時(shí)可選取其中一處的輸油臂基座及其附近船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。

甲板面、基座和艙壁等用板單元模擬，對(duì)于各類(lèi)板上的縱骨、扶強(qiáng)材、普通肋骨等用梁?jiǎn)卧M，并考慮偏心的影響。強(qiáng)肋骨、強(qiáng)縱桁的T材面板用梁?jiǎn)卧?，腹板用板元，輸油臂用多點(diǎn)約束(MPC)剛性模擬。輸油臂基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 輸油臂基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有限元模型

1.4 邊界條件

按照《規(guī)范》要求，邊界條件為在新增加的煙囪與原煙囪連接部分以及上甲板邊緣部分施加簡(jiǎn)支約束，即對(duì)各節(jié)點(diǎn)、、3個(gè)位移分量進(jìn)行約束，邊界條件見(jiàn)圖2。

圖2 邊界條件

2 載荷施加

本船配備DN200裝卸臂。DN200裝卸臂的載荷有：垂直載荷135 kN和傾覆力矩320 kN·m。模型中所有力均施加在上甲板上方距基座面板高度為4.0 m的MPC獨(dú)立點(diǎn)上。考慮到對(duì)稱(chēng)性和裝卸臂的回轉(zhuǎn)角度，可選取0°、45°、90° 3種工況分別進(jìn)行計(jì)算。各工況模型受力見(jiàn)表1。

表1 0°、45°、90°3種工況模型受力情況

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 許用應(yīng)力

根據(jù)《規(guī)范》要求，本船各構(gòu)件許用應(yīng)力見(jiàn)表2。本船采用A級(jí)鋼，其材料換算系數(shù)為1.0。

表2 強(qiáng)力甲板及以下結(jié)構(gòu)各構(gòu)件許用應(yīng)力

3.2 應(yīng)力結(jié)果匯總

通過(guò)對(duì)0°、45°、90° 3種工況進(jìn)行加載分析，得到輸油臂基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有限元模型的剪切應(yīng)力、合成應(yīng)力、梁?jiǎn)卧畲髴?yīng)力、梁?jiǎn)卧钚?yīng)力結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 0°、45°、90° 3種工況加載分析應(yīng)力結(jié)果 單位：MPa

通過(guò)對(duì)應(yīng)力結(jié)果的分析得到，90°工況下合成最大應(yīng)力為30.1 MPa，45°工況下剪切最大應(yīng)力為9.66 MPa，90°工況下梁?jiǎn)卧畲髴?yīng)力為76.5 MPa，90°工況下梁?jiǎn)卧畲髴?yīng)力為92.2 MPa，均未超過(guò)許用應(yīng)力。經(jīng)過(guò)有限元數(shù)值模擬計(jì)算，90 m加油船輸油臂基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)合理。

利用有限元軟件MSC.Patran/Nastran，通過(guò)對(duì)90 m加油船輸油臂基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)0°、45°、90° 3種工況進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，得到整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，分別見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 組合應(yīng)力(0°工況)(單位：MPa)

圖4 組合應(yīng)力(45°工況)(單位：MPa)

圖5 組合應(yīng)力(90°工況)(單位：MPa)

4 輸油臂基座螺栓力計(jì)算

根據(jù)甲板螺栓布置圖，共分為16個(gè)螺栓，其分布情況見(jiàn)圖6。

圖6 螺栓編號(hào)示意圖

16個(gè)螺栓分別進(jìn)行編號(hào)計(jì)算。根據(jù)《規(guī)范》，對(duì)于第個(gè)螺栓組的軸向力可按下式計(jì)算：

(1)

(2)

=+-

(3)

作用于第個(gè)螺栓組的剪切力、和合成力可按下式計(jì)算：

(4)

(5)

(6)

式中：為作用在第個(gè)螺栓組上的朝向方向的剪切力，kN；為作用在第個(gè)螺栓組上的朝向方向的剪切力，kN；為作用在第個(gè)螺栓組上的合成力，kN。

本文研究的90 m加油船輸油臂基座的螺栓材質(zhì)為35#鋼，螺栓規(guī)格M42，屈服極限為315 MPa，按照《規(guī)范》要求，安全系數(shù)大于2，得到螺栓的應(yīng)力[]=157.5 MPa，剪應(yīng)力[]=78.75 MPa，截面積=1 121 mm。

(1)取最大軸向力=8.67 kN校核正應(yīng)力：

=7.734 MPa<[],滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

(2)取最大剪切力=5.75 kN校核剪切力：

=5.13 MPa<[],滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

(1)該90 m加油船的輸油臂基座附近結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值最大的地方位于螺栓部位，但是均小于許用應(yīng)力值；輸油臂基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2018)要求。

(2)本文研究的90 m加油船已經(jīng)在船廠(chǎng)投入實(shí)際使用，輸油臂安全性能滿(mǎn)足要求。對(duì)于輸油臂而言，由于其載荷和彎矩均較大，且自身重量也較大，為保證船體結(jié)構(gòu)的安全，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。