自卸式运砂船输送臂基座及挂臂结构强度分析

秦言明，俞伊姗

（1.浙江欧华造船股份有限公司，浙江舟山 316101；2.浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022）

自卸式运砂船输送臂基座及挂臂结构强度分析

秦言明1，俞伊姗2

（1.浙江欧华造船股份有限公司，浙江舟山 316101；2.浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022）

利用MSC/Nastran软件，通过施加载荷和限定边界条件，针对四种典型工况，对加强后的自卸式运砂船输送臂基座及挂臂结构强度进行了有限元分析。有限元分析结果表明，加强后的应力结果能够满足设计要求，并呈现出了比较合理的应力分布。通过有限元分析得到的结论对同类型输送臂基座及挂壁结构的设计和强度分析有一定的参考价值。

挂臂；结构强度；有限元分析

近年来，随着我国经济的高速发展，工程建设市场也随之迅猛发展，对砂石的需求也日益增长，砂石运输船舶数量、运量逐年增长，其中自卸式运砂船的发展尤为迅猛。自卸式运砂船的结构、布置与常规的运砂船存在很大的区别，是一种存在较大安全风险的船舶[1]。

输送臂基座及挂臂结构是自卸式运砂船上重要的受力结构，因此其结构设计的好坏很大程度上影响着运沙船的作业质量和安全[2]。本文根据《船舶与海上设施起重设备规范》[3](以下简称规范)要求在对一首典型的自卸式运沙船进行有限元分析时，发现在船体罗经甲板前端壁中部，居住甲板前端壁及侧壁处出现了较大的应力集中。根据结构响应的特点，本文对应力集中的危险区域提出了加强措施，并采用MSC.PATRAN/NASTRAN软件对加强后的设计建立模型并进行分析[4]，以期为同类型输送臂基座及挂壁结构的设计和强度分析提供参考依据。

1 有限元模型及加强说明

1.1 有限元模型

自卸式运砂船主要参数：船体总长93.2 m；结构计算船长89.0 m；型宽16.0 m；型深6.4 m；吃水4.9 m。根据图纸资料及规范要求，纵向选取肋位Fr-3～肋位Fr28，横向选取整个船宽，垂向选取尾升高甲板下29 50 mm至上层建筑顶端为计算有限元模型范围。主船体各构件采用板或梁单元模拟、挂臂吊点采用体单元模拟。坐标系统采用右手坐标系，原点位于船中尾升高甲板上（肋位#19），x轴向船首为正方向，y轴向左舷为正方向，z轴向上为正方向。四种工况下的有限元模型见图1。

图1 有限元模型Fig.1 FEM model

1.2 设计加强说明

根据有限元分析的结构响应，为满足结构的强度要求，需要对结构做出加强。考虑不过多增加施工的难度及建造成本[5]，现将罗经甲板前端壁中部扶墙材尺寸由L90×56×8改为T型材见图2a。居住甲板前端壁距中2 100 mm处扶墙材尺寸由原改L125×80×8为L160×100×12，见图2b。居住甲板侧壁位于FR7肋位处扶墙材尺寸由原L75×50×5改为L125×50×10，见图2c（图中仅显示右舷，左舷应对称加强）。

图2 结构加强图Fig.2 Structural strengthening diagram

2 载荷及边界条件处理

各部件所用钢材为普通钢,计算中取材料的物理特性参数为：弹性模量（E）：2.06×105N/mm2,泊松比（μ）：0.3，密度（ρ）：7.85×10-9t/mm2。模型的两端边界条件采用自由支持。

在运砂船装卸工作下需要转动挂臂，考虑到结构及载荷的对称性，计算中选取输送臂与x轴分别成0°、90°，每种工况分别选取大梁拉起微小角度与大梁拉起10°两种工况共（2×2）四种工况对输送臂基座及挂臂结构强度进行分析和校核。

本文在计算工况载荷时考虑了输送臂主副桥的自重、上下皮带自重、主桥卷扬机自重及输送时的河沙重。考虑到河砂输送过程中的输送载荷及安全系数的设定等，本文取1.4的载荷系数[6]。主桥卷扬机自重以均布力的形式加在主桥尾部，其余各力均以均布力的形式施加在整个输送臂上。最后在输送臂模型上读取所需的输送臂基座受力及挂壁吊点受力。各载荷具体数值见表1。输送臂基座及挂臂吊点上的载荷均以建立MPC点的形式进行施加。

表1 各工况计算载荷Tab.1 Load cases

3 计算结果及分析

3.1 许用应力强度衡准

根据规范要求，按照以下衡准对计算结果进行校核。

3.2 输送臂基座及挂臂结构计算结果

通过有限元计算，可知输送臂及挂臂结构在各工况下的相应最大应力及变形值见表2。从表2可以看出各项应力均在工况一下呈现最大值，工况一的变形及应力云图见图3～6。

表2 最大应力及变形值Tab.2 The maximum stress and deformation

3.3 讨论及分析

应力计算结果表明：(1)在四种工况下，输送臂基座及结构应力均小于许用应力，变形量较小，符合设计要求；（2）应力及变形的最大处均出现在挂臂的吊耳处，这是因为输送臂在工作时，变幅约束及工作载荷主要作用在掉头上，导致该部位的应力及变形较大；（3）加强后，应力及变形呈现了合理的分布。对于原来四个应力集中，强度不符合要求的地方，经过结构加强后，均有了很大的改善，说明了本文对该设计的加强是合理有效的。

图3 变形图（mm）Fig.3 Deformation

图4 甲板及舱壁表面等效应力云图（MPa）Fig.4 Von Mises stress of deck and bulkhead

图5 梁系的最大组合应力云图（MPa）Fig.5 Bar maximum combined stresses

图6 梁系的最小组合应力云图（MPa）Fig.5 Bar minimum combined stresses

4 结语

本文通过MSC/Nastran软件，对不符合强度要求的自卸式运砂船输送臂基座及挂臂结构进行了结构优化加强，并对加强后的结构进行了有限元分析。分析结果表明优化后的结构满足规范要求，本文提出的优化加强是有效可行的，为以后类似结构的设计和加强提供了思路。除此之外，本文计算的四种工况结果表明，挂臂的吊耳是整个结构的关键部位，在自卸式运砂船的设计时应该充分考虑载荷，并做适当的加强。

[1]刘利潇.关于海上自卸运砂船结构若干问题的研究[J].船舶标准化与质量,2015(3):43-45.

[2]杨家军,王建波,张盛华.四种工况下挖泥船吊机的有限元分析[J].现代机械,2012(6):44-47.

[3]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.

[4]张晓君.基于Nastran的船舶局部强度有限元分析[J].浙江海洋学院学报:自然科学版,2006,25(3):295-300.

[5]胡学明,严 刚.船体结构加强的实践[J].湖南交通科技,2008,34(3):143-146.

[6]朱远臻.内河自卸砂船伸缩型输送带装置的研究[D].广州:华南理工大学,2012.

Strength Analysis of the Arm and Its Base of A Tipper

QIN Yan-ming1,YU Yi-shan2
（1.Zhejiang Ouhua Shipbuilding Co LTD,Zhoushan 316101；2.School of Naval Architecture and Mechanical-electrical Engineering，Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China）

Using MSC/Nastran software,the strength of the arm and its base of tipper are analyzed by applying the load and the boundary condition.The finite element analysis is carried out for the four typical working conditions.The results of finite element analysis show that the stress results can meet the design requirements and show a reasonable stress distribution.The conclusion obtained by the finite element analysis has certain reference value for the design and strength analysis of the same kind of transport arm base and wall structure.

boom；strength；finite element analysis

U674.134.1

A

1008－830X(2017)03－0278－04

2017-02-14

秦言明（1963-），男，浙江舟山人，高级工程师，研究方向：船舶建造工艺技术.