港内机动工作船吊机基座改装设计强度分析

王初龙，向小斌，池建辉，董崇东

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

港内机动工作船吊机基座改装设计强度分析

王初龙，向小斌，池建辉，董崇东

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

文章对某港内机动工作船吊机基座改装设计后的结构强度进行了有限元分析，简单描述了有限元分析模型的建立以及边界条件的设置，重点介绍了载荷的计算和工况的选取，并对计算结果进行了分析。

港内机动工作船；吊机基座；结构强度；有限元分析

0 引言

港内机动工作船是造修船企业常见的生产辅助船，主要为生产活动提供物料等的吊装和运输任务。随着现代造船业的发展，船舶吨位越来越大，而目前使用的港内机动工作船往往已服役较长时间，其吊装半径和起吊高度有限。基于此，有必要对吊机进行改装设计以满足生产要求。对吊机改装后，涉及到结构强度和船舶稳性等方面的要求，因此需要重新进行评估。

本文根据中国船级社《船舶与海上设施起重规范（2007）》[1]和《内河船舶入级规范（2011）》[2]的有关要求，采用通用有限元分析软件MSC.Patran&Nastran[3]对某港内机动工作船吊机基座加高改装后进行了结构屈服强度分析。

1 概况

本船起重机位于船中前部，根据生产要求，需将吊机整体抬高8 m。考虑到加高以后，各载荷工况下基座根部将存在较大的弯矩。因此，需对基座根部进行有效的加强保护。但同时应避免加强做得太高而阻碍驾驶视线。本船吊机加高后的侧视图如图1所示。本船吊机的主要参数为：吊机总重为25 t，重心靠近驾驶室一侧0.35 m；设计起重载荷为5 t；起重臂系统重3.44 t，吊臂长22 m，重心靠近吊臂中心；起重时最大水平力为3.2 t；设计动载系数为1.08。

2 有限元模型

2.1 模型的建立

根据规范要求，采用局部立体结构模型时，以设备有效作用平面矩形（a×b）形心为中心，向四周分别扩展至少一倍的该矩形相对应的长、宽距离（3a×3b）。垂向从基座底面扩展至甲板之下的第一个平台甲板或至少D/4处（D为型深）。如按上述方法框取的模型边界上未设置结构的主要支撑构件，则模型应再延伸至边界落在结构的主要支撑构件上。根据以上原则，本文模型范围为吊机基座本身以及基座下方整个甲板室。

总体坐标系取右手直角坐标系，其中，x轴沿船长方向，向艏为正；y轴沿船宽方向，左舷为正；z轴沿型深方向，向上为正。

考虑到局部分析且该区域应力较高，本模型网格板单元尽量采用正方形，网格大小取1/5骨材间距，为110 mm×110 mm，各构件适用单元类型如下：

1）板单元：基座筒体、甲板、舱壁、肘板、桁材的腹板；

2）梁单元：甲板骨材、扶强材、桁材的面板。

由于吊机本身不进行模拟，因此在基座顶端，需采用多点约束单元（MPC）来传递载荷。

有限元模型如图2所示。

2.2 边界条件

甲板室下端边界处采用简支，即：δx=δy=δz=0。

2.3 材料属性及力学性能

本模型中船体结构以及基座中所有板材均为Q235普通钢，其主要属性及力学性能参数如表 1所示。

表1 材料属性及力学性能

在实际建模时，质量密度放大 1.1倍，即：8.635×10-6kg/mm3。

2.4 载荷及工况

根据本吊机实际使用情况，并结合《船舶与海上设施起重设备规范》要求，需对下面三种情况下的工况进行校核：

1）工况1：吊机处于无风状态，应考虑的载荷包括：

（1）自重载荷，以A表示；

（2）（起升载荷+船舶倾斜（横倾与纵倾）所产生的起升载荷水平分力）×起升系数φh，以B表示；

（3）其他最不利的水平力（通常由回转加速度产生），以C表示；

（4）由船舶倾斜（横倾与纵倾）产生的自重载荷水平分力，以D表示。

组合载荷：[A+B+C+D]×作业系数φd

2）工况2：吊机处于有风状态，应考虑的载荷包括工况1中的组合载荷，并计及最不利的风载荷。

3）工况3：吊机处于放置状态，应考虑的载荷包括船舶倾斜、船舶运动所产生的力和风的作用力。

各项载荷计算如下：

1）起升载荷：吊重5 t和起重臂系统3.44 t，5+3.44=8.44 (t)；

2）起升系数：起升系数φh=1+CV，其中C取0.3，V为起升速度，根据设备资料，最快起升速度为12 m/min=0.2 m/s，则φh=1+CV=1+0.3×0.2=1.06，小于规范要求的1.10，故取起升系数为1.10；

3）动载系数：对于工作状态，起升载荷还需考虑一定的动载系数，根据原有的设备资料，取1.08。

对于起升载荷，其总系数为：1.10×1.08=1.188。

按规范要求，本吊机考虑船舶横倾 5°和纵倾2°，因此在考虑起升系数及动载系数后各倾斜状态下的起升载荷垂直分力、水平分力及由垂直分力引起的弯矩计算值如表2所示。

表2 起升载荷计算表

2.4.1 自重载荷及水平分量

重力加速度g为−9.81 m/s2。

自重载荷为不包括起重载荷中的起重设备部件质量为：25－3.44=21.56 (t)。

重心位置为：(25×0.35-3.44×11)/21.56=−1.35 (m)，即重心在吊臂相对一侧。

则自重载荷在船舶倾斜下的垂直分力、水平分力及由垂直分力引起的弯矩计算值如表3所示。

表3 自重载荷计算表（吊机）

筒体加高后的重量约为6.5 t。在实际船舶倾斜时其垂向分量有所减小，但在有限元计算中，系统施加惯性载荷，筒体一直处于正浮状态，此时垂向载荷比实际值要略大，偏于安全。因此，只计算筒体因倾斜而产生的水平分力，并将水平分力施加在基座顶部MPC处。计算值如表4所示。

表4 自重载荷计算表（基座筒体）

2.4.2 最不利水平力

由回转加速度产生的最大水平力取原资料中给定的3.2×9 810=31 392 (N)，并认为与吊臂垂直。为保守起见，此水平力被认为作用于吊臂端部，力臂为22 m。此时引起的回转力矩为31 392×22=690 624 (N·m)；并考虑到起重臂最大升幅角度为78°，此时吊幅半径为6 m，则垂向最大力臂为6×tan(78°)=28.23 (m)，故由水平力引起的侧向弯矩为：31 392×28.23=886 196 (N·m)。

2.4.3 风载荷

吊机及筒体侧面受风面积为48.63 m2；正面受风面积（考虑吊臂升至最高）为33.57 m2；吊物受风面积根据稳性计算报告取6.85 m2。保守起见，无论吊机及吊物侧面受风还是正面受风，都取两者之和。

风压q=0.613Vw2，其中，Vw为风速，工作时取20 m/s，放置状态下取55 m/s。则作业工况和放置工况下的风载荷计算见表5。

表5 风载荷计算表

2.4.4 作业系数

对于工作状态，需考虑一定的作业系数，根据规范，取1.05。

2.4.5 船舶运动载荷

根据规范要求，船舶运动载荷需考虑下面两种情况的组合力：

1）垂直于甲板的加速度为±1.0g，前后方向平行于甲板的加速度为±0.5g，静横倾30°，风速55 m/s，作用于前后方向；

2）垂直于甲板的加速度为±1.0 g，横向平行于甲板的加速度为±0.5 g，静横倾30°，风速55 m/s，作用于横向。

考虑到垂向加速度为+1.0 g时，将与重力加速度抵消，对本次分析中的筒体、基座及反面加强结构有利，因此在本次分析中该情况忽略不计。

在放置状态时，起重臂朝向船尾，此时考虑各加速度的惯性力及引起的力矩计算见表6和表7。

表6 惯性载荷计算表（吊机整体，包括起重臂）

2.4.6 工况组合

针对前文所述的工况1、工况2和工况3，对于不同的载荷朝向及吊臂朝向，结构将产生不同的结构响应，因此对应每个工况分别设置如表8～表10所示的若干子工况进行分析。

其中，方位角以朝船首方向为0°，逆时针为正；正面受风时的风载荷在作业工况时沿起重臂方向。

表7 惯性载荷计算表（筒体）

3 计算结果及分析

3.1 许用应力

根据规范要求，各构件的屈服强度许用应力的计算公式为：[σ]=σs/n。式中，σs为材料屈服强度，MPa；n为安全系数。各工况的许用应力见表11。

表8 工况1对应的子工况

表9 工况2对应的子工况

表10 工况3对应子工况

表11 许用应力

3.2 计算结果及分析

经计算整理，各工况下基座及船体结构的应力结果汇总如表12所示。各工况的应力云图见图3～图12。

表12 各工况最大应力汇总（单位：MPa）

1）从应力结果可以看出，船体结构和基座均满足规范对屈服强度的要求。

2）对于工况1和工况2，板单元最大应力出现在基座正下方与舱壁连接处的甲板室强横梁上；而梁单元最大应力出现在基座正下方与甲板室纵桁相连接的筒体扶强材上。这两处高应力区域均是由于未设置肘板过渡而引起的。考虑到在工程实际中，应当最大程度地减少火工作业，该两处虽然应力较高，但仍满足强度要求，故可以不设肘板。

3）对于工况3，板单元应力最大值出现在基座肘板面板处，且受压为主，因此，肘板的面板厚度不能太薄以致屈曲，在此次改装设计中取20 mm，满足要求；最大梁单元应力出现在与肘板相应的筒体扶强材上，可见在基座肘板反面增加环形强框是非常有必要的。

4 结论

根据规范对改装加高后的机动工作船基座及其支撑结构进行有限元强度分析，得到了工作及放置工况下的应力，由结果可知，基座本身和支撑结构均能满足强度要求，并通过应力云图对各工况下高应力区域进行了分析。

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

[2] 中国船级社. 船舶与海上设施起重设备规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2007.

[3] 中国船级社. 内河船舶建造与入级规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2011.

中国船级社检验的首个移动式试采平台成功交付

近日，由中国船级社（CCS）独立进行检验的海洋石油162在烟台中集来福士举行了交船仪式。海洋石油162是中海油能源发展有限公司的首个移动式试采平台，具备试采、油气分离、储存和外输等功能，是CCS首次为国内移动平台授予CCS生产测试平台（Production Testing Unit）和油气水处理系统（Process）附加标志，其成功交付不仅弥补了中海油能源公司在这一技术领域的空白，也为海洋石油开发开创了新思路。

海洋石油162为四桩腿自升式试采、井口作业一体化平台。平台总长81.53 m，总宽37.73 m，作业水深可达40 m，污油水最大舱容为3 055 m3，井口作业设备最大提升能力为1 580 kN。本项目采用了“勘探+试采+开发”勘探开发一体化的模式，对推动海洋石油边际油田开发具有重要意义。

海洋石油162的成功检验进一步增强了CCS海工检验的服务能力，CCS在海工领域不仅可以提供法定、入级、第三方等传统服务，更可以根据客户需求为新型海工设备提供个性化的检验服务。

来源：中国船级社

Finite Element Analysis of Strength for Crane Pedestal Foundation Conversion Design of Harbor Maneuvering Ship

Wang Chulong, Xiang Xiaobin, Chi Jianhui, Dong Chongdong

(COSCO Shanghai Shipyard Co., Ltd., Shanghai 200231, China)

The finite element analysis of structural strength for crane pedestal foundation conversion design of harbor maneuvering ship is done in the paper. It also briefly describes the finite element analysis model and the set of boundary conditions. The paper highlights the calculation of the loads and the selection of conditions. The results are analyzed.

harbor maneuvering ship; crane pedestal foundation; structural strength; finite element analysis

U663.7

A

10.14141/j.31-1981.2017.02.010

王初龙（1985—），男，硕士，助理工程师，研究方向：船舶与海洋工程结构设计与分析。