三种吊马结构形式及力学性能比较研究

张 健,刘建峰,季建忠,尹 群

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院,江苏 镇江 212003;2.上海外高桥造船有限公司,上海 200137;3.扬州市地方海事局,江苏 扬州 225009)

1 引言

吊马是船舶建造过程中船体分段等结构物搬运、翻身、总组、搭载的必要构件,由于所吊对象一般为大型结构物,一旦发生危险必将造成严重后果,因此,保证吊马在使用过程中的安全十分重要。由于吊马在船厂应用范围广泛,使用数量巨大,吊马结构形式的简繁直接关系到吊马的制造工艺性及用工量的大小,吊马的单件自重关系到吊马耗费钢材的多少。在大量调研的基础上,收集了目前国际上先进造船企业正在使用的吊马相关资料,通过分析整理,从中、日、韩三国多家船厂中各选取一家具有代表性的吊马设计标准,从结构形式、自重、力学性能三方面对所选吊马进行比较研究,了解其各自的优缺点,取长补短,吸取经验,为优化吊马设计提供参考。

2 三种代表性吊马结构形式概述

2.1 外高桥造船有限公司吊马

外高桥造船有限公司目前为我国大型造船企业之一,其技术力量雄厚,造船模式先进。在吊马使用方面,外高桥造船有限公司拥有一套完备的企业标准,具有多种吊马型式,主要有 A 型、B型、C型、D型、E 型、F 型、H 型、I型、J型 、K 型等 ,每种型式的吊马又有可以承受10～50t不同载荷的吊马型号,如 A 型吊马就有 10 t、15 t、20 t、25 t、30 t、40 t、50 t 7种型号,所有吊马型号共有40余种类别,这些型号的吊马各有特定明确的适用区域和使用范围,但同时也具有种类繁多、复杂、难于批量制造等缺点。以下仅列举几种外高桥常用的吊马型式,见图1、图2 、图 3。

外高桥造船有限公司各类型式的吊马中,一般起吊载荷为10t的吊马吊孔周围不安装复板,起吊载荷为15t的吊马,吊孔周围要安装单面复板,20t以上(包括20t)时,吊孔周围加装双面复板,同时在吊马两侧均加装对称的防倾肘板,安装复板无疑会给吊马加工增加很多工作量,同时增加吊马自重。

2.2 日本船厂吊马

日本川崎株式会社在日本和中国拥有多家船厂,川崎造船有限公司是日本规模较大的现代化造船公司,船厂完全采用日式造船流程、日式造船技术和管理方法,日本最新的造船技术在川崎船厂都会得到迅速的应用。所以,川崎船厂的技术水平能够代表日本最高的造船水平。川崎船厂的吊马结构形式只有两种,即D型和T型,D型共有可以起吊2～50t不同载荷的11种型号的吊马,T型吊马共有可以起吊3～50t不同载荷的10种型号的吊马。川崎船厂吊马总的特点是结构形式简洁,不加装复板,类型少,通用性强,工艺性好,易于批量制造。D型吊马一般应用在船体结构的外板上,T型吊马一般应用在结构的侧面的构造面或者骨材侧面上。图4及图5为川崎船厂某吨位的D型及T型吊马。

2.3 韩国船厂吊马

韩国三湖船厂的吊马分为A、B、C、D四种类型,四大类型吊马按照承载能力的不同共有30种型号。A型吊马中有可以承受5～70t不同载荷的12种型号,B型吊马中有可以承受5～60t载荷的10种型号,C型吊马中有5～60t的7种型号,D型有可以起吊20t载荷的一种型号。其中,A型及B型吊马应用范围较为广泛,与外高桥船厂吊马的某些类型有较多相似之处,吊马的吊孔周围也是按照吨位大小安装单层或双层复板进行局部加强,但是吊马肘板的安装位置和肘板的结构形式有所不同,韩国吊马的肘板上一般开有较大减轻孔。起吊载荷为5t的吊马两侧不安装肘板,起吊载荷为10～60t的吊马每侧只安装一块肘板,形成非对称结构形式,只有起吊载荷为70t的吊马才在两侧各安装两块肘板,这一点和外高桥吊马肘板形式有所不同。图6和图7分别为应有范围较广的韩国A型及B型吊马。

3 三种吊马自重比较

由于吊马在船厂应用范围广泛,使用数量多,因此,单件自重是衡量吊马优劣的一个重要指标,自重较轻且性能良好的吊马可以为船厂节约大量钢材。具有代表性的三国的三家船厂正在使用的吊马种类繁多,吊马的适用区域各异,吊马的结构形式也有较大差别。因此,对每一种吊马的自重均进行比较不太可能,也没有意义。为了增加可比性,本文从三个系列吊马中各选取一种起吊载荷相同、型式类似、适用区域相同的吊马进行质量比较。

以起吊载荷为50t的吊马为例,分别选取外高桥船厂的A-50型、日本川崎船厂的D-50型和韩国三湖船厂的LA-50型吊马进行比较研究。三种吊马包括附属结构(肘板)在内的自重分别列于下表中。

表1 三种50t吊马自重比较

在三种吊马中,韩国船厂吊马最轻,日本川崎的吊马最重,但是日本川崎吊马结构形式简单,吊孔周围无复板,安装时无肘板,装卸比较方便,工艺性好,且使用次数较多。由于日本川崎D型吊马主要适用于骨材或板上,D型吊马一般不设肘板,而T型吊马一般适用于构造侧面,且T型吊马长度较长,一般需设置防倾肘板。

4 额定载荷下吊马应力计算

同样以起吊载荷为50t的吊马为例,分别选取外高桥船厂的A-50型、川崎船厂的D-50型和韩国三湖船厂的LA-50型吊马为研究对象。利用MSC.Patran软件建立1:1的有限元三维模型,并利用MSC.Nastran软件进行有限元应力计算。

4.1 弹性Hertz接触理论分析

起吊船舶分段时,吊马与卸扣销轴接触,分段重力通过卸扣销轴传递到吊马孔内壁,因此,吊马上受力情况符合接触力学理论。接触力学理论始见于1882年H.Hertz发表的《论弹性固体的接触》经典论文。较为系统的阐述接触力学理论及工程应用的著作是1985年由K.L.Johnson撰写的《接触力学》一书[1]。接触力学以弹性变形为前提,且计算轴、孔接触处应力分布时较为繁琐,如图8所示。

图8 两圆柱体接触示意图

在实际工程中,吊耳与吊轴之间的接触远超出弹性范围而发生塑性变形,塑性变形下的结构应力计算可采用简化分析方法。采用适当的简化处理将实际接触问题简化为静力学问题,只要处理得当,可以方便地利用有限元软件MSC.Nastran进行计算,使问题大大简化且具有较高的工程精度。经比较研究,采用简化有限元分析方法与用Marc软件按照接触算法计算出的应力分布在接触区域、非接触区域具有较好的一致性,同时结构应力水平基本相当,说明选取合理的载荷分布、施加范围,采用简化有限元可以较为准确地计算出吊耳接触应力分布[3]。有限元模型中用椭圆或抛物线模拟接触载荷垂向分量分布,作用范围根据吊耳孔径与吊轴直径的大小确定(载荷作用范围可取左右对称各30°～45°);吊耳结构在吊孔区域采用细化有限元模型,载荷以节点力施加在相应的作用区域内,且保证每个节点上载荷积分后所得之和与所吊载荷相等。

4.2 边界条件及载荷

4.3 计算结果及分析

对以上三种吊马分别利用MSC.Nastran软件[2]进行有限元计算,图12、图13及图14分别为外高桥船厂A-50型、日本川崎船厂D-50型、韩国三湖船厂LA-50型吊马应力云图,计算结果见表2。

从应力分布云图及表2中可以看出,日本川崎吊马上的应力最小,三种吊马的最大应力均远远低于吊马所用材料的许用应力,但应力在吊马上的分布位置有所不同,外高桥吊马和日本川崎吊马最大应力均发生在直接施加载荷的吊孔周围,而韩国船厂吊马最大应力发生在离吊孔有一定距离的吊马板上。

表2 相同载荷下三种吊马最大应力情况比较

此外,为了从多个角度研究三种吊马性能的优劣,引进最大应力质量比的概念,规定在某种载荷条件下,吊马的最大应力值比上该吊马总质量,即α=,以此来表示在现有载荷条件下吊马的单位质量上所承受的应力值,体现了该型吊马单位质量钢材在承担应力方面的利用率。计算结果表明,韩国船厂吊马具有最高的应力质量比,达到3.35,材料的利用率最高;在起吊质量相同情况下,外高桥船厂吊马与三湖船厂吊马的最大应力相当,但是外高桥船厂吊马质量远重于韩国三湖船厂吊马;日本川崎船厂的应力质量比最低,为1.31,日本川崎船厂的吊马安全裕度最大,偏于安全。

5 结论

经对三家船厂吊马的结构形式、自重、有限元应力计算结果几方面进行研究,得出如下结论。

(1)三种吊马在额定载荷作用下产生的应力均小于材料的许用应力,完全达到使用要求。

(2)在相同载荷作用下,三种吊马的最大应力相差不大,但由于各吊马的自重不同,所以应力质量比有较大差别,其中,韩国船厂吊马具有最大的应力质量比,材料的利用率最高。

(3)三种吊马各有其优缺点,其中,日本川崎船厂的吊马结构简单,易于制造及拆装,能够较少地破坏涂层,减少后期工作量,工艺性能最好,但是由于该型吊马不设肘板,所以吊马本体质量较重,用钢量较大;外高桥船厂吊马品种繁多,与韩国三湖船厂吊马相比,三湖船厂的吊马轻,结构形式相对简单,且具有较高的应力质量比,是一种较优的吊马结构形式。

1 徐秉业,罗学富、刘信声.接触力学.北京:高等教育出版社,1992.

2 刘兵山,黄聪.Patran从入门到精通.北京:中国水利水电出版社,2003.