波浪補(bǔ)償起重機(jī)基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

周 博

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

0 引 言

某型船的波浪補(bǔ)償起重機(jī)是對(duì)船舶因風(fēng)浪產(chǎn)生的上下位移具有補(bǔ)償功能的作用，主要用于船舶間的貨物補(bǔ)給。本機(jī)適用于3級(jí)和3級(jí)以下海況的裝卸作業(yè)。起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)主要分為底座、塔身和吊臂三大部分。底座為一圓筒體，安裝在甲板的連接基礎(chǔ)上。波浪補(bǔ)償起重機(jī)作為該型船重要的甲板起重設(shè)備，在工作時(shí)承受較大的局部載荷，并將此載荷通過(guò)基座傳至甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)波浪補(bǔ)償起重機(jī)基座及其相連結(jié)構(gòu)以及甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元直接計(jì)算，對(duì)保證船用設(shè)備及船體結(jié)構(gòu)安全有重要意義。［1］

1 波浪補(bǔ)償起重機(jī)基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

1.1 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為確保該船圓滿完成補(bǔ)給任務(wù)，對(duì)于波浪補(bǔ)償起重機(jī)，設(shè)計(jì)中采用兩類結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式：第一類為加強(qiáng)形式A（圖1），主要包括波浪補(bǔ)償起重機(jī)環(huán)形基座等直徑的筒形結(jié)構(gòu)（筒體嵌入甲板，筒體在甲板下500 mm高度），此類加強(qiáng)形式分為3種方案：方案A1，圓筒基座不增設(shè)肘板，見圖 3（a）；方案 A2，圓筒基座外側(cè)增設(shè)4塊肘板、內(nèi)側(cè)增設(shè)橫隔板，見圖3（b）；方案A3，圓筒基座外側(cè)增設(shè)8塊肘板、內(nèi)側(cè)增設(shè)橫隔板，見圖 3（c）。 第二類加強(qiáng)形式 B（圖 2），主要包括波浪補(bǔ)償起重機(jī)環(huán)形基座下縱向和橫向桁材，此類加強(qiáng)形式分也為3種方案：方案B1，圓筒基座外側(cè)增設(shè)肘板、內(nèi)側(cè)增設(shè)橫隔板，見圖3（d）；方案B2，圓筒基座僅外側(cè)增設(shè)肘板，見圖3（e）；方案B3，圓筒基座不增設(shè)肘板和橫隔板，見圖3（a）。兩類加強(qiáng)形式的結(jié)構(gòu)都與鄰近橫向和縱向強(qiáng)構(gòu)件進(jìn)行連接。

圖2 加強(qiáng)形式B

圖3 加強(qiáng)形式設(shè)計(jì)方案

1.2 有限元計(jì)算模型

波浪補(bǔ)償起重機(jī)基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究采用有限元方法，有限元模型采用MSC.PATRAN/NASTRAN計(jì)算軟件。

1.2.1 坐標(biāo)系和單位

模型的總體坐標(biāo)系采用笛卡兒直角坐標(biāo)系，其中X軸：沿船縱向，由原點(diǎn)指向船首方向?yàn)檎?；Y軸：沿船橫向，由中縱剖面指向左舷為正；Z軸：沿船垂向，從基線向上為正。為建模及分析方便，模型采用以下單位：長(zhǎng)度為米（m）、力為牛頓（N）。

1.2.2 有限元模型

由于波浪補(bǔ)償起重機(jī)左右舷對(duì)稱布置，所以只建左舷模型。模型范圍以波浪補(bǔ)償起重機(jī)的基座（01甲板FR103、距船舯10 900 mm）為中心。橫向：左舷外板至左舷距舯6 500 mm縱桁；縱向：FR96強(qiáng)橫梁至FR109強(qiáng)橫梁；垂向：基座平面至1甲板。

三維有限元模型包括外板及其構(gòu)件、甲板及其構(gòu)件、基座及其構(gòu)件等。所有板構(gòu)件均以板殼單元來(lái)模擬；船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)構(gòu)件（包括縱桁、強(qiáng)橫梁及外板強(qiáng)肋骨）的腹板和面板也用板殼單元來(lái)模擬；縱骨、加強(qiáng)筋、艙壁扶強(qiáng)材等用梁?jiǎn)卧M?；姘濉⒏拱搴椭獍宀捎冒鍤卧M。在波浪補(bǔ)償起重機(jī)基座平面中心與基座之間建立模型預(yù)測(cè)控制Model Predictive Control（MPC），所有邊界均簡(jiǎn)支約束。

圖4 加強(qiáng)形式A有限元模型

圖5 加強(qiáng)形式B有限元模型

2 主要載荷及計(jì)算工況

2.1 主要載荷

波浪補(bǔ)償起重機(jī)自重及最大載重 26.8 t

傾覆力矩 2 400 kN·m

回轉(zhuǎn)力矩 380 kN·m

2.2 計(jì)算工況

工況1：方位角β=0°，起重機(jī)向船首與中縱平行；

工況2：方位角β=45°，起重機(jī)向船首與中縱成45°偏向舷外；

工況3：方位角β=90°，起重機(jī)向舷外；

工況4：方位角β=－45°，起重機(jī)向船首與中縱成45°偏向船中；

工況 5：方位角 β=－90°，起重機(jī)向船中。

3 許用應(yīng)力

按照鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范，各種工況下，起重設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)和基座的計(jì)算相當(dāng)應(yīng)力的許用值為：

式中：ReH為材料屈服應(yīng)力，N/mm2。

波浪補(bǔ)償起重機(jī)基座及甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)材質(zhì)為AH32。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 計(jì)算結(jié)果

對(duì)兩類加強(qiáng)形式用有限元方法針對(duì)五種工況分別進(jìn)行計(jì)算。他們的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 各種工況下圓筒基座及甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的相當(dāng)應(yīng)力

4.2 應(yīng)力云圖

兩類加強(qiáng)形式應(yīng)力云圖見下頁(yè)圖6～7。

4.3 結(jié)果分析

顯然，波浪補(bǔ)償起重機(jī)基座下的兩類結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式中，除了方案B3不滿足要求外，其余均滿足CCS規(guī)范應(yīng)力衡準(zhǔn)要求。

比較表1和表2的計(jì)算結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)：

（1）相同工況下，在第一類加強(qiáng)形式A中，對(duì)方案A1和方案A2進(jìn)行比較后得出：基座有無(wú)肘板對(duì)甲板加強(qiáng)構(gòu)件的應(yīng)力影響較?。浑m然增設(shè)肘板對(duì)圓筒基座本身的應(yīng)力有所改善，但在肘板處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中。

（2）相同工況下，在第二類加強(qiáng)形式B中，通過(guò)方案B1、方案B2和方案B3進(jìn)行比較得出：增設(shè)肘板對(duì)甲板加強(qiáng)構(gòu)件的應(yīng)力影響較大，而在圓筒基座內(nèi)側(cè)增設(shè)橫隔板對(duì)甲板加強(qiáng)構(gòu)件的應(yīng)力影響較小。

（3）相同工況下，第二類加強(qiáng)形式B的方案B3中，在基座筒體與甲板相交處出現(xiàn)了應(yīng)力集中；而在第一類加強(qiáng)形式A的方案A1中，應(yīng)力能很好地傳遞到甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)上，且滿足要求。

圖6 第一類加強(qiáng)形式應(yīng)力云圖

圖7 第二類加強(qiáng)形式應(yīng)力云圖

（4）相同工況下，方案B1和方案B2的甲板加強(qiáng)構(gòu)件的最大應(yīng)力要小于第一類加強(qiáng)形式A中的兩種方案。在設(shè)計(jì)中，方案B1和方案B2甲板下的加強(qiáng)構(gòu)件比較密集，較加強(qiáng)形式A復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)施工難度較大，而且需要在基座處增設(shè)較大肘板，此時(shí)在基座肘板與甲板相交處同樣會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中。

（5）第一類加強(qiáng)形式A與第二類加強(qiáng)形式B比較，前者甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)比后者輕得多，所以從經(jīng)濟(jì)性考慮，加強(qiáng)形式A優(yōu)于加強(qiáng)形式B，其中方案A1為最優(yōu)。

（6）第一類加強(qiáng)形式A的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與周圍鄰近的強(qiáng)構(gòu)件有很好連接，有利于力的傳遞與分散，從而有效降低各構(gòu)件的最大應(yīng)力值。比較兩類結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式的應(yīng)力云圖，也能發(fā)現(xiàn)第一類加強(qiáng)形式A的應(yīng)力較為均勻，而第二類加強(qiáng)形式B的應(yīng)力較為集中。由此可見，加強(qiáng)形式A優(yōu)于加強(qiáng)形式B。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)某型船波浪補(bǔ)償起重機(jī)基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式的有限元計(jì)算和比較，發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)形式A的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與波浪補(bǔ)償起重機(jī)基座對(duì)應(yīng)較好，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式簡(jiǎn)單、重量輕且便于力的直接傳遞；加強(qiáng)形式B的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)雖然能為波浪補(bǔ)償起重機(jī)基座提供較好的支撐，但不利于力的傳遞，而且容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。所以加強(qiáng)形式A是我們最終采用的結(jié)構(gòu)形式。

［1］湯衛(wèi)民，王穎博，陳永兵.絞盤基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.船舶，2010，21（4）：24-27.

［2］中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè) 結(jié)構(gòu)分冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

［3］中國(guó)船級(jí)社.鋼制海船入級(jí)規(guī)范修改通報(bào)［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［4］中國(guó)船級(jí)社.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南［M］.北京：人民交通出版社，2001.