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      船舶運動載荷對起重船船體構(gòu)件的影響

      2014-04-29 04:58:25龍濤陽宇麟
      廣東造船 2014年5期
      關鍵詞:計算載荷船舶

      龍濤 陽宇麟

      摘 要:本文從我國《起重設備法定檢驗技術規(guī)則》有關船舶運動載荷的計算方法入手,根據(jù)運動載荷大小與船舶運動參數(shù)之間的對應關系,通過典型實例揭示了船舶運動參數(shù)對載荷計算結(jié)果影響的基本量值,并對船舶設計者提出了計算中需要考慮的相關因素。

      關鍵詞:船舶; 起重; 載荷; 計算

      中圖分類號:U663.2 文獻標識碼:A

      1 引言

      隨著我國海工建設領域的發(fā)展,船舶與海上設施的起重設備也呈現(xiàn)大型化、復雜化,并且形成自港區(qū)、沿海向近海、遠洋發(fā)展的趨勢。船舶起重設備的多元化發(fā)展,也影響了與其相關的船舶結(jié)構(gòu)和有關構(gòu)件的設計型式。

      起重機是典型的船上起重設備,其通常處于兩種狀態(tài):作業(yè)和放置。出于安全考慮,起重機通常僅要求在港區(qū)或?qū)@擞辛己谜诒蔚暮S騼?nèi)作業(yè),這在中國海事局頒布的《起重設備法定檢驗技術規(guī)則》(以下簡稱《起重法規(guī)》)中有明確的表述。然而,在放置狀態(tài)下,船舶往往要在相對惡劣的海況下航行,所以船上起重機在放置狀態(tài)下船舶的運動形式,決定了與起重機、起重機放置裝置相關聯(lián)的船體構(gòu)件的設計與選取。

      影響船體構(gòu)件的附加載荷,到底在多大程度上受船舶運動型式的影響,其載荷大小與運動參數(shù)之間的量值關系如何,目前有關法規(guī)文件并沒有給出具體的指引,而這恰恰是船舶設計和船舶運營者非常關心的問題。本文擬通過典型算例予以揭示,并提供建議參考。

      2 計算依據(jù)和方法

      《起重法規(guī)》在起重機、升降機和跳板的章節(jié)中,均包含對船舶運動載荷的要求,這是根據(jù)起重機在放置狀態(tài)下,考慮船舶的運動形式,計算和選取與起重機、起重機放置裝置關聯(lián)的船體構(gòu)件的依據(jù)。

      這些要求包括:

      (1)考慮起重機自身重量或與重量的分力有關的靜載荷;

      (2)考慮船舶在波浪上橫搖、縱搖、垂蕩產(chǎn)生的動載荷;

      (3)考慮風壓載荷。

      除上述外,船舶結(jié)構(gòu)設計還要考慮這些受力最不利的組合狀況。根據(jù)這些受力和受力組合的計算,可得出起重機因船舶運動而施加給船體的總運動載荷,進而推算出相關構(gòu)件的尺寸。

      首先,確定起重機放置狀態(tài)下船舶運動的邊界條件,如縱、橫、垂向的加速度值、最大橫傾角值、風速值等;其次,計算船舶的運動參數(shù),如實際縱、橫傾角、垂蕩幅度、搖擺周期;第三,根據(jù)運動參數(shù),輔以船舶基本要素(船舶主尺度、重量重心、初穩(wěn)性高度、起重機的幾何位置等),計算出起重機在船舶運動狀態(tài)下的動、靜載荷分力;最后,是計算船體結(jié)構(gòu)強度衡準,即將上述計算結(jié)果代入起重機支撐結(jié)構(gòu)的強度計算中,通過建立起重機及其連接船體結(jié)構(gòu)的模型,將最不利的受力組合狀態(tài)加載給起重柱,選擇合適的構(gòu)件尺寸,確保在各種工況下、各相關船體構(gòu)件的計算應力不大于材料的許用應力,如滿足則船體構(gòu)件的設計和強度衡準便完成。

      《起重法規(guī)》給出了常規(guī)船型在上述三維加速度等邊界條件下的搖擺周期、運動幅值和動、靜載荷分力的計算方法與換算公式。

      3 計算分析和結(jié)論

      本文選取一普通起重船,在不考慮風壓載荷的情況下,通過分別校核橫搖角10°與30°下船舶所承受的各向載荷分力,探尋并揭示船體載荷與船舶運動幅度之間的大致關系。

      3.1 船舶基本要素

      3.2 船舶運動參數(shù)計算

      (1)根據(jù)《起重法規(guī)》,在橫搖角30°時:

      ①運動的最大單幅值

      在橫搖角10°時:上述系數(shù)除最大橫搖值φ=10°外,其余單幅值與周期均與橫搖角30°時相同。

      3.3 運動分力計算

      根據(jù)《起重法規(guī)》,船舶運動分力的計算公式如表1。

      分別計算橫搖角為30°和10°時的三維運動分力,計算結(jié)果如表2(第一數(shù)值代表橫搖角30°的計算結(jié)果;第二數(shù)值代表橫搖角10°的計算結(jié)果,兩者相差用百分比表示)。

      由表2可見,隨著船舶運動的橫搖角由10°增加到30°,垂直于甲板的動/靜載荷增加幅度不大,而平行于甲板的橫向動、靜載荷,均幾乎增加到兩倍左右,這必將大幅影響相關構(gòu)件的選取尺寸。

      4 實際應用建議

      為便于表述,將起重機的幾何重心設定在船舶重心的垂線上,旨在排除運動載荷計算時,因初始傾側(cè)力矩導致的前后向、左右向的動靜載荷不平衡,但實際上往往存在起重機重心偏心布置的情況。

      對于常規(guī)運輸船上作輔助裝卸用的起重設備而言,由于其自重往往較小,按橫搖角30°計入運動載荷后,計算所得的船體構(gòu)件尺寸也不會太大,較易滿足要求。

      而對于大型起重船而言,由于其起重設備的自重往往較大,若按橫搖30°計入運動載荷后,其計算所得的船體構(gòu)件尺寸較大,存在一定困難。由于這類大型起重船一般采用寬深比較大的箱型船體型式,船舶進水角往往達不到30°,故在運動載荷的計算過程中,橫搖角最大取至船舶進水角即可。

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