基于FEM的某裝卸過(guò)駁船卸船機(jī)基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘" " 要：為論證卸船機(jī)基座結(jié)構(gòu)形式的安全合理性，拓寬卸船機(jī)基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路和方法，以一艘44米裝卸過(guò)駁船作為分析對(duì)象，采用有限元分析方法，首先建立包含卸船機(jī)基座結(jié)構(gòu)的艙段模型，通過(guò)對(duì)主甲板與橫縱強(qiáng)結(jié)構(gòu)相交的高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特點(diǎn)提出若干種結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案，可為該類(lèi)船舶的卸船機(jī)基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：FEM；裝卸過(guò)駁船；卸船機(jī)；基座

中圖分類(lèi)號(hào)：U663.7" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Structural Design of Ship Unloader Base of a Transshipment Barge

Based on Finite Element Method （FEM）

WU Zifeng

（ Guangdong Port amp; Shipping Group Science Research Co.， Ltd.，" Guangzhou 510111 ）

Abstract： In order to demonstrate the safety and rationality of the structure form of the ship unloader base， the ideas and methods of the structure design of the ship unloader" "base were widened. A 44-meter transshipment barge was taken as the analysis object， and the finite element analysis method was adopted. Firstly， the cabin model including the ship unloader base was established， and then the stress calculation and analysis were carried out on the high stress area intersecting the main deck and the transverse and longitudinal structure. Finally， according to the characteristics of structural stress distribution， several structural strengthening schemes are proposed to provide reference value for the structural design of such types of ship unloader base.

Key words： FEM;" transshipment barge;" ship unloader;" base

1" " "引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，運(yùn)力需求日益增大，船舶也逐漸向大型化發(fā)展，單船運(yùn)載能力得到明顯的提升。然而，只有大型深水碼頭才能匹配大噸位船舶靠泊和轉(zhuǎn)卸貨，而建造一座大型深水碼頭往往受到諸多因素影響，如需要大量的前期資金投入、岸線的審批、較長(zhǎng)的建造周期、水深等自然條件的限制。此時(shí)，海上直接轉(zhuǎn)運(yùn)的方式能更好地解決大型船舶轉(zhuǎn)卸貨問(wèn)題。相比于建造一座新碼頭，這種方式投入成本低，效率高，能很好地解決大噸位船舶轉(zhuǎn)卸貨的困擾。

裝卸過(guò)駁船主要由主船體及裝卸設(shè)備組成。其中，卸船機(jī)因靠近大噸位遠(yuǎn)洋船艙，其基座結(jié)構(gòu)往往需要高于遠(yuǎn)洋船艙的艙口頂，以便于卸船機(jī)的螺旋吸頭將大噸位遠(yuǎn)洋船艙內(nèi)的散貨卸到料斗，再通過(guò)傳輸帶送至裝船機(jī)。卸船機(jī)本身自重較大，且需安裝于較高的高度，對(duì)基座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較高要求。王艷龍[1]等采用有限元法對(duì)多種作業(yè)工況下的某散貨船自卸設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)度和變形分析；張健[2]以一艘典型的非自航式海上過(guò)駁平臺(tái)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)起重機(jī)基座與主甲板、中縱艙壁的交匯處等高應(yīng)力區(qū)域的局部強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，得到基座結(jié)構(gòu)響應(yīng)、應(yīng)力分布特點(diǎn)；劉銳[3]對(duì)海上過(guò)駁平臺(tái)回轉(zhuǎn)起重機(jī)基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部強(qiáng)度有限元分析，并提出若干種滿足基座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的加強(qiáng)方案。裝卸過(guò)駁船由于其工作特點(diǎn)，在作業(yè)時(shí)容易受到風(fēng)浪流環(huán)境載荷以及卸船機(jī)傾覆載荷的聯(lián)合作用，容易出現(xiàn)基座結(jié)構(gòu)受力不均的情況。因此，有必要對(duì)此類(lèi)工程船卸船機(jī)基座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行探討。

2" " 基座有限元模型及邊界條件

本文所研究的裝卸過(guò)駁船主尺度參數(shù)如表1所示。

本船長(zhǎng)寬比小于4，為非規(guī)范尺度比要求的船舶。按照《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》2007和2016修改通報(bào)[4-5]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“規(guī)范” ）的要求，模型范圍一般至少是基座有效作用矩形平面向四周擴(kuò)展一倍的區(qū)域，本文選取船尾～Fr.24區(qū)域艙段建立有限元模型，其中基座區(qū)域?yàn)镕r.12～Fr.18，有限元模型參見(jiàn)圖1。

本船以基座為中心4 000 mm×4 000 mm范圍內(nèi)主甲板和船底板、基座圓筒體以及基座中心點(diǎn)所在Fr.15橫艙壁板采用AH32高強(qiáng)度鋼，其余結(jié)構(gòu)均為普通鋼。

根據(jù)規(guī)范要求，邊界條件的設(shè)置以不影響基座中心考察單元的計(jì)算結(jié)果為原則。本模型在Fr.24強(qiáng)橫梁端面以及距舯2 240 mm甲板縱桁端面施加剛性固定約束。

3" " "設(shè)計(jì)工況及載荷對(duì)比

基座設(shè)計(jì)工況主要分兩類(lèi)：卸船機(jī)工作于有風(fēng)狀態(tài)，設(shè)計(jì)載荷包括卸船機(jī)自重載荷、作業(yè)載荷、作業(yè)狀態(tài)下的風(fēng)載荷（風(fēng)速按20 m/s）、船舶傾斜引起的自重載荷和作業(yè)載荷的水平分力等；卸船機(jī)處于放置狀態(tài)，設(shè)計(jì)載荷包括放置狀態(tài)下的風(fēng)載荷（風(fēng)速按55 m/s）、船舶運(yùn)動(dòng)載荷等。規(guī)范針對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)載荷提出了兩種計(jì)算方式：一種是按船舶運(yùn)動(dòng)加速度產(chǎn)生的力進(jìn)行考慮；另一種針對(duì)符合規(guī)范尺度比要求的船舶由船舶運(yùn)動(dòng)形式所產(chǎn)生的分力進(jìn)行計(jì)算。卸船機(jī)輸送臂方角定義參見(jiàn)圖2。卸船機(jī)示意圖及各部件命名參見(jiàn)圖3。卸船機(jī)各部件參數(shù)見(jiàn)表2，其中作業(yè)時(shí)動(dòng)載荷為部件內(nèi)部容積乘以物料容重所得，總作業(yè)載荷為15 t，總自重約為160 t。

本計(jì)算在卸船機(jī)的回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)處建立獨(dú)立點(diǎn)，采用MPC（Multi-Point Constrants）的方式關(guān)聯(lián)獨(dú)立點(diǎn)與卸船機(jī)基座法蘭面，使之耦合成剛性區(qū)域，并在獨(dú)立點(diǎn)上施加相關(guān)設(shè)計(jì)載荷，以模擬基座結(jié)構(gòu)的受力情況。

彎矩以卸船機(jī)回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)作基準(zhǔn)點(diǎn)。

按規(guī)范要求，對(duì)于懸臂式輸送臂自重載荷的作業(yè)系數(shù)取1.10，自卸設(shè)備的作業(yè)載荷的沖擊系數(shù)取1.10。作業(yè)工況以LC1為例，合力分別由船長(zhǎng)方向Fx、船寬方向Fy和垂向Fz合成，其中Fx包含船舶縱傾2度時(shí)作業(yè)載荷和卸船機(jī)自重的水平分力及風(fēng)載荷，F(xiàn)y包含船舶橫傾5度時(shí)作業(yè)載荷和卸船機(jī)自重的水平分力及風(fēng)載荷，F(xiàn)z包含作業(yè)載荷和卸船機(jī)自重的垂向分力。按偏于保守考慮，作業(yè)載荷的力臂取為1#螺旋至卸船機(jī)回轉(zhuǎn)中心的距離，自重力臂取卸船機(jī)重心至卸船機(jī)回轉(zhuǎn)中心的距離，以計(jì)算傾覆力矩。放置工況LC6和LC7按船舶運(yùn)動(dòng)加速度考慮載荷，對(duì)于縱搖運(yùn)動(dòng)Fx包含0.5倍卸船機(jī)自重水平分力和風(fēng)載荷，F(xiàn)y為船舶橫傾30度時(shí)卸船機(jī)自重水平分力，F(xiàn)z為卸船機(jī)自重的垂向分力；對(duì)于橫搖運(yùn)動(dòng)則0.5倍卸船機(jī)自重水平分力和風(fēng)載荷作用于船寬方向。放置工況LC8～10按船舶運(yùn)動(dòng)形式考慮載荷，船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)分力參見(jiàn)表3～4。其中縱搖運(yùn)動(dòng)載荷組合為靜縱搖＋動(dòng)縱搖＋動(dòng)垂蕩＋風(fēng)載荷，橫搖運(yùn)動(dòng)載荷組合為靜橫搖＋動(dòng)橫搖＋動(dòng)垂蕩＋風(fēng)載荷，組合運(yùn)動(dòng)載荷組合為靜合成力＋0.8（動(dòng)縱搖＋動(dòng)橫搖）＋風(fēng)載荷。

由表5知，放置工況所施加的合力均大于作業(yè)工況。其中LC7和LC9同為橫搖運(yùn)動(dòng)工況，但LC9由橫搖運(yùn)動(dòng)引起的橫傾力是LC7的2倍，接近卸船機(jī)自重的2.5倍，載荷之大極為不合理。分析載荷較大的原因?yàn)椋河捎贚C8～LC10是針對(duì)滿足規(guī)范尺度比要求的船舶的各種運(yùn)動(dòng)形式參數(shù)計(jì)算出的合力，而本船卻是長(zhǎng)寬比較小的非常規(guī)尺度比駁船，由于船寬較大，按經(jīng)驗(yàn)公式求出的橫搖周期很小、橫搖力很大，因此依據(jù)常規(guī)船舶運(yùn)動(dòng)形式的參數(shù)來(lái)考慮本船的運(yùn)動(dòng)載荷并不合理，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)載荷過(guò)于保守，對(duì)基座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出過(guò)高要求，增加不必要的結(jié)構(gòu)重量和材料消耗。冗余的基座結(jié)構(gòu)重量甚至影響船舶浮態(tài)的調(diào)整。

作業(yè)工況所施加傾覆力矩均大于放置工況，主要原因是卸船機(jī)輸送臂上螺旋吸頭的工作載荷繞卸船機(jī)回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的力臂較大，進(jìn)而產(chǎn)生較大的傾覆彎矩。放置工況下輸送臂通過(guò)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶有的自鎖裝置鎖定輸送臂朝向，輸送臂頭采用鋼絲繩和卸扣連接至主甲板耳板進(jìn)行固定。

4" " 計(jì)算結(jié)果分析對(duì)比

按規(guī)范要求，作業(yè)/放置工況安全系數(shù)分別為1.43/1.33。對(duì)于安全工作負(fù)荷小于20 t的支撐結(jié)構(gòu)，安全系數(shù)可取上述值的0.89。經(jīng)計(jì)算普通鋼許用應(yīng)力值分別為185/199 MPa，AH32高強(qiáng)度鋼許用應(yīng)力值分別為248/266 MPa。

如表6所示，除LC9以外，各工況下各主要構(gòu)件應(yīng)力值均小于許用值，卸船機(jī)基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本合理。最大應(yīng)力發(fā)生在放置工況9下基座橫艙壁和基座圓筒體上，應(yīng)力值分別為288 MPa和279 MPa，大于許用應(yīng)力值。其余工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。各放置工況下構(gòu)件應(yīng)力值均遠(yuǎn)大于作業(yè)工況，可見(jiàn)船舶運(yùn)動(dòng)引起的載荷對(duì)基座支撐結(jié)構(gòu)的影響遠(yuǎn)大于作業(yè)載荷的影響，這在基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要特別注意。應(yīng)力集中位置主要集中在基座圓筒體、艙壁、主甲板三面相交角隅點(diǎn)。該處角隅點(diǎn)在力的傳遞中起到重要的“承上啟下”作用，即承受基座圓筒體上部的卸船機(jī)自重和作業(yè)時(shí)輸送臂上貨物重量及其傾覆力矩、風(fēng)載荷、船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的載荷等作用，并有效傳遞到主甲板以下的船底結(jié)構(gòu)上。

針對(duì)放置工況9下基座橫艙壁和基座圓筒體強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求的情況，需要在上述三面相交角隅點(diǎn)附近進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。

5" " 卸船機(jī)基座結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案的比選

針對(duì)基座圓筒體和艙壁交接處出現(xiàn)高應(yīng)力集中的問(wèn)題，分別以基座結(jié)構(gòu)形式和基座構(gòu)件尺寸兩個(gè)出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行考慮，對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部位提出4種結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案。

加強(qiáng)方案1：保持原基座結(jié)構(gòu)不變，圓筒體板厚由30 mm（AH32）加厚至36 mm （AH32）。

加強(qiáng)方案2：在圓筒體外側(cè)對(duì)稱(chēng)分布地增設(shè)支撐肘板，并在圓筒體內(nèi)位于支撐肘板趾端的水平面增加一道環(huán)形加強(qiáng)水平桁，如圖4所示。

加強(qiáng)方案3：在圓筒體內(nèi)側(cè)增設(shè)橫向和縱向非水密艙壁隔板，如圖5所示。

加強(qiáng)方案4：在主甲板以下1 000 mm增設(shè)箱型平臺(tái)甲板，并與原甲板縱桁腹板、甲板強(qiáng)橫梁腹板、縱艙壁共同組成箱型體結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

對(duì)上述4種加強(qiáng)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接分析計(jì)算，選取應(yīng)力值較大的主甲板、基座橫艙壁、基座圓筒體分項(xiàng)比較，并與原方案計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如表7～8所示。4種加強(qiáng)方案施工難度與材料消耗比較，參見(jiàn)表9。

除方案2在LC9工況下圓筒體應(yīng)力值仍少許超出許用范圍外，其余各工況、各加強(qiáng)方案、各構(gòu)件的應(yīng)力值均已滿足規(guī)范要求，特別是橫艙壁和圓筒體等原應(yīng)力值較大的構(gòu)件在改進(jìn)后其應(yīng)力值均有大幅的降低。因此可認(rèn)為上述4種改進(jìn)方案合理可取，達(dá)到此次基座結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的目的。

對(duì)于方案1，基座圓筒體高達(dá)16 m，直徑達(dá)3.20 m，雖然板厚增加后各構(gòu)件應(yīng)力值均有不同程度的降低，特別是圓筒體殼板的應(yīng)力降幅明顯，但對(duì)比其他方案材料消耗最多。若方案1修改為圓筒體從上至下逐段加厚，即使能降低部分結(jié)構(gòu)重量和材料消耗，也對(duì)圓筒體不同板厚分段之間的對(duì)接焊質(zhì)量提出較高要求。方案2所設(shè)置的支撐肘板有效降低了主甲板、橫艙壁的應(yīng)力值，是所有加強(qiáng)方案中材料消耗最少的方案。然而，支撐肘板趾端在圓筒體上產(chǎn)生結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。從長(zhǎng)期使用角度考慮，應(yīng)力集中點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致圓筒體殼板上產(chǎn)生疲勞裂紋，從而引起殼板斷裂甚至結(jié)構(gòu)破壞。對(duì)此，支撐肘板應(yīng)盡可能設(shè)置成弧形狀且邊長(zhǎng)盡量長(zhǎng)，使應(yīng)力集中效應(yīng)盡可能在圓弧中耗散，降低應(yīng)力向肘板趾端端部的傳遞。方案3在所有工況下均非最優(yōu)加強(qiáng)方案，其對(duì)各構(gòu)件應(yīng)力值的降幅基本介于方案1和方案2之間。方案3中增加的橫縱非水密隔板增強(qiáng)了圓筒體的結(jié)構(gòu)剛度，且沒(méi)有出現(xiàn)類(lèi)似方案2明顯的應(yīng)力集中效應(yīng)。然而方案3需在圓筒體內(nèi)部進(jìn)行施工，圓筒體內(nèi)敷設(shè)有多路電纜和液壓管路等，容易與結(jié)構(gòu)形成干涉，施工難度大。方案4增設(shè)的甲板下箱型體結(jié)構(gòu)則增強(qiáng)了圓筒體與主甲板、圓筒體與艙壁的之間的連接剛度，高效地將圓筒體承受的載荷傳遞到甲板、艙壁和船底結(jié)構(gòu)，（下轉(zhuǎn)第頁(yè)）（上接第頁(yè)）

橫艙壁應(yīng)力值降幅明顯。雖然方案4對(duì)圓筒體應(yīng)力值的降幅不如方案1，但綜合加強(qiáng)效果更佳。綜合比較后，方案4是最具性?xún)r(jià)比的加強(qiáng)方式，表明在主甲板下增設(shè)箱型體結(jié)構(gòu)可有效增強(qiáng)此類(lèi)基座支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有利于載荷的傳遞。

6" " "結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某裝卸過(guò)駁船卸船機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度進(jìn)行分析和研究，主要結(jié)論如下：

1）依據(jù)常規(guī)船舶運(yùn)動(dòng)形式的參數(shù)考慮非規(guī)范尺度比要求的船舶的運(yùn)動(dòng)載荷并不合理，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)載荷過(guò)于保守，對(duì)基座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出過(guò)高要求，增加不必要的結(jié)構(gòu)重量和材料消耗。對(duì)于非常規(guī)尺度比船舶，按運(yùn)動(dòng)加速度形式施加運(yùn)動(dòng)載荷更為合適；

2）高應(yīng)力集中區(qū)域主要集中在基座圓筒體、艙壁、主甲板三面相交角隅點(diǎn)，該角隅點(diǎn)在力的傳遞中起到重要的“承上啟下”作用。在今后對(duì)船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考察該區(qū)域的局部強(qiáng)度，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)加強(qiáng)；

3）4種加強(qiáng)方案綜合對(duì)比后，方案4增設(shè)的甲板下箱型體結(jié)構(gòu)在不增加過(guò)多的結(jié)構(gòu)重量和材料消耗的情況下，增強(qiáng)了圓筒體與主甲板、圓筒體與艙壁的之間的連接剛度，高效地將圓筒體承受的載荷傳遞到甲板、艙壁和船底結(jié)構(gòu)上，是最具性?xún)r(jià)比的加強(qiáng)方式，可有效增強(qiáng)此類(lèi)基座支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

[1] 王艷龍，王桂云，李遵偉.基于FEM的散貨船自卸系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].

機(jī)電設(shè)備， 2015， 32 （06）.

[2] 張健，昌滿，何文心.海上過(guò)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 （01）.

[3] 劉銳.海上過(guò)駁平臺(tái)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及振動(dòng)特性研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科

技大學(xué)， 2016.

[4] 船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范[S].北京：中國(guó)船級(jí)社， 2007.

[5] 船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范變更公告[S].北京：中國(guó)船級(jí)社， 2016.