波浪补偿起重机基座加强结构优化设计

周 博

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

0 引 言

某型船的波浪补偿起重机是对船舶因风浪产生的上下位移具有补偿功能的作用，主要用于船舶间的货物补给。本机适用于3级和3级以下海况的装卸作业。起重机主体结构主要分为底座、塔身和吊臂三大部分。底座为一圆筒体，安装在甲板的连接基础上。波浪补偿起重机作为该型船重要的甲板起重设备，在工作时承受较大的局部载荷，并将此载荷通过基座传至甲板加强结构。因此，对波浪补偿起重机基座及其相连结构以及甲板加强结构进行有限元直接计算，对保证船用设备及船体结构安全有重要意义。［1］

1 波浪补偿起重机基座加强结构

1.1 加强结构设计

为确保该船圆满完成补给任务，对于波浪补偿起重机，设计中采用两类结构加强形式：第一类为加强形式A（图1），主要包括波浪补偿起重机环形基座等直径的筒形结构（筒体嵌入甲板，筒体在甲板下500 mm高度），此类加强形式分为3种方案：方案A1，圆筒基座不增设肘板，见图 3（a）；方案 A2，圆筒基座外侧增设4块肘板、内侧增设横隔板，见图3（b）；方案A3，圆筒基座外侧增设8块肘板、内侧增设横隔板，见图 3（c）。 第二类加强形式 B（图 2），主要包括波浪补偿起重机环形基座下纵向和横向桁材，此类加强形式分也为3种方案：方案B1，圆筒基座外侧增设肘板、内侧增设横隔板，见图3（d）；方案B2，圆筒基座仅外侧增设肘板，见图3（e）；方案B3，圆筒基座不增设肘板和横隔板，见图3（a）。两类加强形式的结构都与邻近横向和纵向强构件进行连接。

图2 加强形式B

图3 加强形式设计方案

1.2 有限元计算模型

波浪补偿起重机基座加强结构优化研究采用有限元方法，有限元模型采用MSC.PATRAN/NASTRAN计算软件。

1.2.1 坐标系和单位

模型的总体坐标系采用笛卡儿直角坐标系，其中X轴：沿船纵向，由原点指向船首方向为正；Y轴：沿船横向，由中纵剖面指向左舷为正；Z轴：沿船垂向，从基线向上为正。为建模及分析方便，模型采用以下单位：长度为米（m）、力为牛顿（N）。

1.2.2 有限元模型

由于波浪补偿起重机左右舷对称布置，所以只建左舷模型。模型范围以波浪补偿起重机的基座（01甲板FR103、距船舯10 900 mm）为中心。横向：左舷外板至左舷距舯6 500 mm纵桁；纵向：FR96强横梁至FR109强横梁；垂向：基座平面至1甲板。

三维有限元模型包括外板及其构件、甲板及其构件、基座及其构件等。所有板构件均以板壳单元来模拟；船体结构的强构件（包括纵桁、强横梁及外板强肋骨）的腹板和面板也用板壳单元来模拟；纵骨、加强筋、舱壁扶强材等用梁单元模拟。基座面板、腹板和肘板采用板壳单元模拟。在波浪补偿起重机基座平面中心与基座之间建立模型预测控制Model Predictive Control（MPC），所有边界均简支约束。

图4 加强形式A有限元模型

图5 加强形式B有限元模型

2 主要载荷及计算工况

2.1 主要载荷

波浪补偿起重机自重及最大载重 26.8 t

倾覆力矩 2 400 kN·m

回转力矩 380 kN·m

2.2 计算工况

工况1：方位角β=0°，起重机向船首与中纵平行；

工况2：方位角β=45°，起重机向船首与中纵成45°偏向舷外；

工况3：方位角β=90°，起重机向舷外；

工况4：方位角β=－45°，起重机向船首与中纵成45°偏向船中；

工况 5：方位角 β=－90°，起重机向船中。

3 许用应力

按照钢质海船入级规范，各种工况下，起重设备支撑结构和基座的计算相当应力的许用值为：

式中：ReH为材料屈服应力，N/mm2。

波浪补偿起重机基座及甲板加强结构材质为AH32。

4 计算结果及分析

4.1 计算结果

对两类加强形式用有限元方法针对五种工况分别进行计算。他们的计算结果如表1所示。

表1 各种工况下圆筒基座及甲板加强结构的相当应力

4.2 应力云图

两类加强形式应力云图见下页图6～7。

4.3 结果分析

显然，波浪补偿起重机基座下的两类结构加强形式中，除了方案B3不满足要求外，其余均满足CCS规范应力衡准要求。

比较表1和表2的计算结果，我们发现：

（1）相同工况下，在第一类加强形式A中，对方案A1和方案A2进行比较后得出：基座有无肘板对甲板加强构件的应力影响较小；虽然增设肘板对圆筒基座本身的应力有所改善，但在肘板处会出现应力集中。

（2）相同工况下，在第二类加强形式B中，通过方案B1、方案B2和方案B3进行比较得出：增设肘板对甲板加强构件的应力影响较大，而在圆筒基座内侧增设横隔板对甲板加强构件的应力影响较小。

（3）相同工况下，第二类加强形式B的方案B3中，在基座筒体与甲板相交处出现了应力集中；而在第一类加强形式A的方案A1中，应力能很好地传递到甲板加强结构上，且满足要求。

图6 第一类加强形式应力云图

图7 第二类加强形式应力云图

（4）相同工况下，方案B1和方案B2的甲板加强构件的最大应力要小于第一类加强形式A中的两种方案。在设计中，方案B1和方案B2甲板下的加强构件比较密集，较加强形式A复杂，现场施工难度较大，而且需要在基座处增设较大肘板，此时在基座肘板与甲板相交处同样会出现应力集中。

（5）第一类加强形式A与第二类加强形式B比较，前者甲板加强结构比后者轻得多，所以从经济性考虑，加强形式A优于加强形式B，其中方案A1为最优。

（6）第一类加强形式A的加强结构与周围邻近的强构件有很好连接，有利于力的传递与分散，从而有效降低各构件的最大应力值。比较两类结构加强形式的应力云图，也能发现第一类加强形式A的应力较为均匀，而第二类加强形式B的应力较为集中。由此可见，加强形式A优于加强形式B。

5 结 论

通过对某型船波浪补偿起重机基座加强结构形式的有限元计算和比较，发现加强形式A的加强结构与波浪补偿起重机基座对应较好，结构加强形式简单、重量轻且便于力的直接传递；加强形式B的加强结构虽然能为波浪补偿起重机基座提供较好的支撑，但不利于力的传递，而且容易出现应力集中。所以加强形式A是我们最终采用的结构形式。

［1］汤卫民，王颖博，陈永兵.绞盘基座加强结构设计［J］.船舶，2010，21（4）：24-27.

［2］中国船舶工业集团公司.船舶设计实用手册 结构分册［M］.北京：国防工业出版社，1998.

［3］中国船级社.钢制海船入级规范修改通报［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［4］中国船级社.船体结构强度直接计算指南［M］.北京：人民交通出版社，2001.