250 t起重船打捞扒杆有限元强度分析

庞　君，谢永和

（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山　316022）

250 t起重船打捞扒杆有限元强度分析

庞君，谢永和

（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山316022）

利用有限元分析软件建立了某内河250 t起重船打捞扒杆结构的有限元模型，通过直接计算方法对打捞扒杆在作业状态下的结构强度和稳定性进行了评估，以确定扒杆结构和性能的稳定性和安全性。首先进行了该非常规船舶的波浪载荷；其次，涉及起重船打捞扒杆作业状态下的载荷选取，然后评估了扒杆的强度和稳定性。该船打捞扒杆的强度评估方法与结果，可为今后此类内河小型起重船的臂架与船体结构设计提供参考依据。

起重打捞船；扒杆；结构强度；稳定性

起重船，又称为浮吊，用于水上起重、吊装作业。一般码头起重装备的自重会受到码头地面承载能力的限制，而起重船是在水上进行装卸起重工作，所以摆脱了这种束缚。而且借助拖船的帮助或自航能力，可以从一个工作地点转移到另一个工作地点，提高了其利用率，而且起重船不受水位差影响。由于这些突出优点，起重船的应用更加广泛［1］。

由于起重船在线型、主尺度、装载上都与普通船舶有很大差异［2］，以及工作的特殊性，在工作过程中船体基座受力较大，局部结构应力集中明显，起吊位置较高，所以对扒杆和船舶本身结构强度要求较高［3］。本文以1艘内河250 t起重打捞船为研究对象，根据中国船级社《钢质内河船舶建造规范》（2009）及其修改通报（2012）［4］（以下称《规范》）和《船舶与海上设施起重设备规范》（2007）（以下称《规范》）［5］及《起重设备法定检验技术规则》（1999）［6］（以下称《规则》）的有关要求，特别针对起重船的特点，对该船的打捞扒杆在作业状态下建立有限元模型，对几种作业工况下的结构强度计算结果分别进行了分析和说明，对于起重船打捞扒杆结构的设计提出了意见和建议。

1　船型介绍

该船为250 t自航型起重船，打捞扒杆长16.5m，当扒杆仰角60°时：主钩最大起重量为300 t（设拼装浮箱），扒杆工作角度：固定60°。在内河B级航区进行起吊作业，该船主尺度见表1。

表1　主尺度Tab.1　Principal dimensions

2　计算模型

2.1有限元模型

应用PATRAN软件建立起重、打捞扒杆有限元模型，模型以沿船体纵向指向船艏为X轴，沿船宽方向指向左舷侧为Y轴，沿船体垂向为Z轴。模型采用板及梁单元模拟，打捞扒杆模型底部和顶部结果采用板单元模拟，中间框架用梁单元模拟，由MPC单元过渡以保证载荷能够传递。图1和图2为该起重船打捞扒杆的有限元模型。

图1　打捞扒杆有限元模型（60°）Fig.1　Finite element model（60°）

图2　扒杆顶端MPC单元Fig.2　Boom top of MPC

2.2计算工况载荷

起重船工作情况特殊，其计算工况也比较复杂，本文选取起重船的工作状态的计算工况进行研究。

起重船工作状态有打捞状态如图3所示和放置状态如图4所示。

图3　打捞状态示意图Fig.3　Salvage status

图4　放置状态示意图Fig.4　Placement state

本船的打捞扒杆主要起吊质量为300 t的工作状态作为计算模型进行载荷的选取，所选取的载荷包括以下内容：自重载荷、起升载荷、扒杆上滑轮所受的力、风载荷、船舶自身运动产生的力。

由以上分析可知起重船在各种工况下载荷的组合内容的见表2。

表2　打捞扒杆各种工况载荷组合汇总Tab.2　Salvage boom load combination summary under various working conditions

2.3边界条件

以起重船打捞作业工况为例建立计算模型的边界条件如表3和图5所示。

表3　边界条件Tab.3　Boundary conditions

图5　边界条件示意图Fig.5　Boundary conditions

3　有限元计算结构及分析

3.1许用应力

按照《规范》3.2.16.1，起重船打捞扒杆的许用应力按下式计算：

式中σs=345 MPa（材质为Q345B强度钢），屈强比=0.51～0.70 （σb=490～675），系数β取1.0。

该船的安全系数n及许用应力（MPa）见表4。

表4　安全系数n及许用应力（MPa）Tab.4　Safety factor n and allowable stress（MPa）

3.2有限元结构强度校核

由MSC软件计算得起重船在工作状态下，打捞扒杆在6种工况中的工作应力值，与许用应力值进行比较。比较结果见表5。

表5　扒杆最大应力（MPa）Tab.5　Maximum stress of boom（MPa）

由表5可见，扒杆有风状态时构件的应力大于无风状态。在有风状态下，横向受风时构件应力大于纵向受风。LC3即扒杆工作状态，起重船左倾3°，前倾2°，同时受横向风力时为最危险工况，此时扒杆构件的应力最大。

3.3打捞扒杆稳定性校核

（1）校核准则

按照《规范》3.2.17.2，同时承受压力和弯曲的构件，稳定性衡准为：

式中：σm为构件承受的弯曲应力，MPa；σc为构件承受的压应力，MPa；σs为钢材屈服强度，MPa；σcr为构件的临界的压应力，MPa；根据构件的长细比和截面形状决定；n为为安全系数。

备注：构件在x轴和y轴两个方向同时承受弯曲应力时，式中的σm应以x轴向的弯曲应力σmx和y轴向的弯曲应力σmy之和代替之和。

按《规范》的附录I，本扒杆为圆截面，罗伯逊常数α=3.5，由λ=80，查得临界应力σcr，见表6。

表6　临界压应力等值Tab.6　Criticla compressive press

（2）稳定性校核

各工况下整体稳定性校核结果见表7。

表7　打捞扒杆整体稳定性Tab.7　Stability of salvage boom

由表7可知扒杆的稳定性满足规范要求，LC6即试验工况的截面轴向应力最大，截面弯曲应力也为最大。所以扒杆在正常工作中满足规范要求能够安全作业。

打捞扒杆的应力大小如图6、7所示。

图6　工况6扒杆梁单元轴向应力云图（MPa）Fig.6　LC6 salvage boom axial stress（MPa）

图7　LC6扒杆梁单元弯曲应力云图（MPa）Fig.7　LC6 salvage boom bending stress（MPa）

由图6、7所示以工况6为例：扒杆轴向应力最大处出现在主杆，扒杆弯曲应力最大处也出现在主杆及扒杆顶部连接处。

4　结论

本文以1艘内河250 t起重打捞船为研究对象，通过运用有限元分析打捞扒杆有限元模型，进行了该船打捞扒杆结构的强度和稳定性校核，计算结果满足中国海事局和中国船级社对内河起重船的相关规范和规则，由于该船在工作状态受到横风工况为最危险工况，而且最大应力均出现在主杆和结构连接部位，所以对于连接部位结构应该给予加强。因此，为今后此类内河小型起重船的臂架和结构的设计与优化提供参考依据。

［1］杨辉.700 t起重船船体及千金柱有限元强度分析［J］.江苏船舶，2009，26（6）：15-17.

［2］王立军，王 伟.全回转式起重船局部结构强度研究［J］.造船技术，2008（3）：15-18.

［3］王庆丰.1 000 t起重船有限元强度分析［J］.造船技术，2009（5）：14-18.

［4］中国船级社.钢质内河船建造规范［S］.2009.

［5］中国船级社.船舶与海上设施起重设备规范［S］.2007.

［6］中国海事局.起重设备法定检验技术规则［S］.1999.

Finite Element Strength Analysis of Salvage Boom of 250 t Floating Crane

PANG Jun，XIE Yong-he
（School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022，China）

In this paper，by using the finite element analysis software，salvage boom finite element model of a certain 250 tons inland floating crane is established.In order to insure the stability and safety of salvage boom structure，the strength and stability of it under different working conditions are calculated through direct calculation method.First，the calculation of load in different working conditions is carried out.Secondly，the strength and stability of the salvage boom are evaluated.Through the above work，it provides some references for the salvage boom optimization for such small inland floating crane.

floating crane；boom；structural strength；stability

U661.42

A

1008-830X（2016）02-0155-05

2016-01-10

庞君（1987-），女，河南焦作人，硕士研究生，研究方向：农业机械化.