海上过驳平台全船强度计算及基座结构加强方案

张 健， 昌 满， 何文心

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江 212003)

海上过驳平台全船强度计算及基座结构加强方案

张 健， 昌 满， 何文心

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江 212003)

以一艘典型的非自航式海上过驳平台为研究对象，选取6种典型作业工况，应用结构强度直接计算方法，获得船体各结构的应力和变形分布规律。通过对起重机基座与主甲板、中纵舱壁的交汇处等高应力区域的局部强度进行计算分析，得到基座结构响应、应力分布特点及最危险的作业形式，提出3种结构加强方案并进行比较研究。研究成果可以为海上过驳平台的结构设计提供依据。

海上过驳平台;结构强度;加强方案

0 引言

海上过驳平台是一种以船舶为载体，可自航或通过拖船辅助航行至目的地，并通过船上配备的装卸船设备开展散料转运的作业平台[1]。如图1所示，海上过驳平台是真正意义上的“海上移动码头”，一次靠泊就能全程连续地装卸作业，装卸船过程中无移泊、无等待，在不改变原有码头的泊位能力和不增加海上运输成本的基础上实现大船上的散料通过海上过驳平台倒运到小船进港，将小船上的散料倒运到大船上出港。海上过驳平台由于其自身的工作特点，工作时易受到风、浪、流等复杂环境载荷和起重机、带式传送系统、装船机等上部多重构件工作载荷的联合作用，易出现过驳平台总体受力大、局部受力集中且分布不均的情况。因此，作为一种新型的海上工程作业船舶，为保证海上过驳平台能正常工作，有必要对其全船及基座结构强度进行研究。

图1 海上过驳平台

1 全船有限元强度分析

由于海上过驳平台是一种新型工程船舶，相关规范中对如何进行该型船舶的结构强度计算尚无明确规定。本文在参考其他相近船舶结构计算方法的基础上，结合该型船舶的实际情况，确定全船有限元结构强度计算方法。

全船有限元模型如图2所示。运用一款大型船舶CAD软件——NAPA软件建立了船体湿表面(船舶水线以下部分)模型，计算得出船舶的重力与浮力分布，依据坦谷波理论施加各工况相应的波浪要素并通过改变波峰或波谷与船舶的相对位置，计算出船舶在静波浪中的平衡位置，进而绘制出船舶在中拱、中垂状态下的波浪曲线，将其拟合而成函数曲线便是全船有限元舷外水压力[2-3]。计算半波高为2.98m，波长取船长114.8m。对于起重机、臂架等部件，按风力引起的弯矩施加于基座中心处质量节点上，选取纵向吊重的风载荷为X方向，横向吊重的风载荷为Y方向(该方向计算后应力偏危险)[4]。此外，还需考虑船舶自重、货物载荷、各舱内液态载荷对船体的影响。

图2 全船有限元模型

计算涉及海上过驳平台纵向吊重100t出港、横向吊重60t出港2种危险作业状态以及静水、迎浪中拱、迎浪中垂3种波浪条件，组成6种工况作为海上过驳平台的计算工况。各工况下船体各构件VonMises应力结果如表1所示，部分应力云图如图3和图4所示。

表1 不同波浪条件下船体结构的 Von Mises 应力计算结果 MPa

图3 LC1主甲板应力云图

图4 LC2横舱壁应力云图

海上过驳平台在计算的6种工况下，船体各构件的相当应力值均在规范要求的许用应力范围内，基座甲板、中纵舱壁的应力值相比其他构件较大，且高应力区域位于起重机基座与主甲板、中纵舱壁的交汇处，这是由于基座承受着起重机自重、货物吊重以及倾覆力矩，从而导致局部应力较大。

2 起重机基座结构局部强度分析

由以上计算可知，海上过驳平台高应力区域主要集中在起重机基座与主甲板、中纵舱壁的交汇处，因此有必要再对起重机基座结构局部强度进行计算分析。

2.1 基座有限元模型

按《船舶与海上设施起重设备规范(2007)》要求选取船首部从Fr130～Fr184的区域，总长为33.75m，其中基座区域为Fr144～Fr168，模型如图5所示。为了更好地观察结构高应力部位的应力响应，将基座穿过甲板的区域进行适当网格细化，取为原网格尺寸的1/3或1/4[5-6]。

图5 基座有限元模型

2.2 边界条件及载荷工况

根据规范边界条件可考虑自由支持或固支。在模型Fr130端面施加刚性固定约束。基座结构设计载荷主要包括起重机的倾覆力矩和自重载荷，载荷通过基座传递到支撑结构上。选取最大吊重100t作为计算工况。此时，起重机起吊重量和自身重量之和为3.43×106N，倾覆力矩为2.9×107N·m，风倾力矩为6.47×105N·m。

对于设备自重及吊重采用MPC(Multi-PointConstraints)的方式施加，以货物和设备自重的重心为独立点，将圆筒端部节点与之耦合形成刚性区域，在独立点上直接施加相应重力。风载荷的施加与重力施加类似，首先在圆筒顶端中心处建立独立点，关联圆筒端部节点，然后在独立点上直接施加压力和力矩[7]。

由于通常起重机正常工作时为全回转作业，倾覆力矩的方向在水平面内变化，文中选取部分具有代表性的方位角作为计算工况，其中方位角β为吊臂与船长指向船首方向的夹角。

工况1：方位角β=0°，起重机沿船首方向与中纵平行；

工况2：方位角β=45°，起重机沿船首方向与中纵成45°，偏向舷外；

工况3：方位角β=90°，起重机与中纵方向夹角为90°，指向左舷；

工况4：方位角β=135°，起重机沿船首方向与中纵夹角为145°；

工况5：方位角β=180°，起重机沿船首方向与中纵夹角为180°。

2.3 计算结果分析

如表2和图6、图7所示，计算的回转起重机基座结构中纵舱壁在工况3下应力值为262MPa，超出许用应力值，且在其他工况下应力值都较大，其余构件结构强度满足规范要求。应力集中位置主要集中在基座与周围船体构件搭接的位置上。基座圆筒支撑和基座甲板结构应力值较大，这是由于这些构件直接承受着起重机自身设备、起吊货物的重量和重量所产生的倾覆力矩以及风载荷的作用。甲板下圆柱筒、中纵舱壁、132#横舱壁的应力值较大，这是由于这些构件位于基座甲板正下方，需要将基座圆筒支撑的力有效传递到船底板上。

通过表1和表2可知海上过驳平台在吊重出港不同波浪下船体各构件强度满足规范要求，然而在起重机与中纵方向夹角为90°，指向左舷起吊时，中纵舱壁强度不满足规范要求，因此需要对起重机基座结构进行加强。

表2 不同方向起重时船体结构的Von Mises应力计算结果 MPa

图6 甲板以上圆筒基座应力云图(工况 3)

图7 甲板以下圆柱筒应力云图(工况3)

3 起重机基座结构加强方案研究

针对高应力区域主要集中在基座圆筒支撑与甲板下横舱壁及纵舱壁的交接处现象， 从结构形式和构件尺寸2个方面考虑，对此处结构的薄弱部位采取3种方案进行结构加强，如图8所示。

图8 3种方案有限元模型

方案1：保持圆筒基座结构形式，加板厚10mm；

方案2：在圆筒基座结构外侧增设8块肘板并对称分布；

方案3：在圆筒基座结构内侧增设横竖横隔板，其中板厚为12mm。

对3种改进方案的结构强度直接进行计算，选取了应力较大构件中纵舱壁、132#横舱壁、基座圆筒支撑、甲板下圆柱筒的应力值，并与原方案应力结果进行比较分析，如表3～表6所示。

表3 中纵舱壁各方案应力结果比较

表4 132#横舱壁各方案应力结果比较

表5 基座圆筒支撑各方案应力结果比较

表6 甲板下圆柱筒各方案应力结果比较

由表 3～表6可知，3 种加强方案加强后，原先应力超出许用范围的中纵舱壁应力值现满足规范要求，基座圆筒支撑、甲板下圆柱筒、132#横舱壁等应力值较大的船体构件在加强后其应力值明显减小。这说明3种加强方案都合理，可以达到此次结构加强的目的。

与方案1相比，方案2和方案3改进效果较好。方案2中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；而方案3中增加纵横横隔板不会出现这种现象，说明纵横横隔板与周围邻近的加强构件有很好连接，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。综合比较，方案3是优选结构形式，说明起重机基座支撑结构采用纵横横隔板加强结构具有较好的结构强度。

4 结论

本文对海上过驳平台全船结构和基座结构局部强度进行了研究，结论如下：

(1) 船体各构件的VonMises应力和剪切应力均满足规范强度要求，说明本船结构设计合理，对类似船舶如起重船、驳船等船体优化设计和强度评估具有一定的参考价值。

(2) 高应力区域主要集中在起重机基座与主甲板、中纵舱壁和基座圆筒支撑的交汇处，这是由于基座局部集中载荷较大，包括起重机自重、货物吊重以及倾覆力矩，因此在今后进行船体结构优化设计时，应重点对该区域进行局部强度校核，必要时应进行结构加强。

(3) 基座结构局部强度的最大应力值主要发生在90°工况，相比180°的工况应力值要大，说明支撑结构船宽方向的强度较船长方向的强度差，起重机最危险的作业形式为吊臂沿船宽方向作业。

(4) 综合比较，从强度而言方案3为最优方案，说明纵横横隔板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。

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[7] 张超,纪肖,凌伟.起重机基座支撑结构强度分析[J]. 船海工程,2014(6):54-59.

StrengthCalculationofWholeShipandStrengtheningProgramof
BaseStructure

ZHANGJian，CHANGMan，HEWenxin

(SchoolofNavyArchitectureandOceanEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang212003,Jiangsu,China)

Atypicalnon-self-propelledoffshorelighteringplatformisstudied,andsixtypicaloperatingconditionsareselected.Thestructuralstrengthdirectcalculationmethodisused.Thehullstructurestressandthelawofthedeformationdistributionareobtained.Throughcalculatingthelocalstrengthofthemaindeckandthecranebase,theintersectionoflongitudinalbulkheadstructures,whichwerehighstressareas,thebasestructureresponse,stressdistributionandthemostdangerousworkformsareobtained.Threekindsofstructurestrengtheningprogramsareproposedandacomparativestudyismade.Researchfindingsmayprovidethebasisforthestructuraldesignofoffshorelighteringplatform.

offshorelighteringplatform;structuralstrength;strengtheningprogram

张 健(1977-)，男，博士，副教授，研究方向为船舶与海洋工程结构抗冲击性能。

1000-3878(2017)01-0027-07

U

A