浮式起重机底座加强结构强度评估及优化

李杰

摘 要：现在人们对于各种工业生产设施的要求都在逐渐的提高，浮式起重机的结构要求也随之提高。本文采用有限元方法研究了起重机的基础加固结构，评估了起重机基础在最大工况和非工作状态下的加固结构强度。基于此，优化了起重机基座的结构，经过评价发现，优化后的起重机有着显著高于沒有优化过起重机的底座强度。

关键词：起重机底座;结构强度;结构优化

中图分类号：U661.43 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）08-0081-02

0 引言

在货船运行期间，通常增加起重机，导致船体结构上的大的集中载荷。电梯将从基础转移到附近的主船体结构，使船体结构复杂化。通过简单的结构力学分析，很难确定结构强度是否符合标准。有限元分析软件MSC用于检查起重机的强度基础和附近的船体结构和结构。在此基础上，MSC进行了优化，以增强船舶起重机结构的强度，以满足规范的要求。

1 浮式起重机结构强度现状

在许多散货船碰撞事故中，直接原因是结构设计不合理。这反映了结构可靠性在此类船舶安全评估中的重要性。研究表明，大多数研究都与完整，受损和沉没状态下散货船的结构可靠性和强度有关。近年来，研究证实船体梁断裂问题与现有单壳散装船体的可靠性有关。散货船在世界航运业中发挥着重要作用。散货船在海上航行，并将各种货物运往世界各地。散货船的规模从20000吨到便携式，巴拿马型，海岬型船甚至30万吨超级散货船。目前，大多数散货船都是单壳结构，根据多年来散货船事故的统计，单壳散货船的侧壳在各种损坏中的事故率最高。如舱口盖和甲板以及船舶的侧外结构。此外，由于取消了作为压载舱的货舱，一些港口解决了一些港口的货物装载问题，这可以通过仅在港口设计压载舱来解决。MSC用于解决结构模型。通过Nastran软件，获得了起重机加固结构的应力值和分布。在三种工况下绘制了起重机基础加固结构的应力云图，总结了各构件的最大应力结果[1]。分析的主要原因：

（1）从船体结构来看，散货船的侧面结构比上下油箱的三角形框架结构弱，特别是在满载时，对于侧面装载机、货舱，该结构的有效性是货物下沉的张力和外板的水压的两倍。（2）在装载状态下由侧面和货物之间的直接接触引起的加速腐蚀。（3）装卸货物时发生机械损坏，清理边缘剩余货物。人们采取了多种多样的方法来尽可能的提高散货船的安全方面能力，尤其是一些旧散货船已经经历了长久的海上航行，在实际运行的过程中难免会遇到多方面的问题，这就会导致其安全性能大幅度的降低。散货船在航行的过程中，其侧面结构是船体当中强度最弱的部位，满载的条件下最容易出现问题的就是船体的侧面结构。重型货仓的侧面结构受到货物下沉力以及外部水压的影响很大。文章将散货船结构进行改装，使用了双壳结构来有效的提高船体剪切强度，从案例当中的具体分析可以看出爱双壳结构将横向的剪切应力进行了减小，小到原始的单壳层轮船的一半应力左右，与此同时隔室等的顶端边缘部分也有着显著的剪切应力降低的效果。对这一过程进行总结，散货船结构改造成双壳结构的话可以稍微的提高船体弯曲性能，但是这样的过程并没有十分明显的使用效果。这是因为增加的内壳位置恰好靠近中性轴，因此对总纵向弯矩的影响很小。

双壳结构极大地改善了船体侧结构的抗剪切性，但是双壳结构的引入增加了船体结构的重量并减小了箱体的部分体积。因此，有必要优化船体结构。在本文中，船体通过进化算法进行优化。结果表明，与传统的单壳结构相比，优化的双壳结构仅使重量增加了5%到7.5%。由于时间关系，本文仅计算船舶纵向构件的优化设计。通过横框架结构和槽式舱壁结构的优化设计，可以在一定程度上减轻结构的重量，并可以适当补偿箱体容量的损失[2]。

2 有限元模型

浮式起重机可用于海岸和船舶，船舶之间的装卸作业。它具有工作效率高，运行稳定，操作灵活的特点。它是船舶理想的装卸设备。为了获得海上多用途货船（集装箱/散货船）的起重能力，需要浮式起重机。起重机基座加强结构的局部强度对结构的安全性有很大影响，因此有必要对强度进行评估。基于起重机布局，基本结构图和其他材料，通过MSC软件建立起重机的有限元模型。该范围内的型号包括甲板，平台和内部起重机油缸，内部和外部地板，5300个平台，主甲板，纵向和横向舱壁和肋。骨架结构如船底和纵向钢筋。其中，起重机滚筒，船底和肋底梁由板单元建模，纵梁横梁由梁单元建模。在已建立的有限元模型中，坐标系X沿着船的长度，Y沿着船的宽度，Z沿着船的深度。起重机基座的增强材料是船用低碳钢，弹性模量限制在一定范围内。为了保证计算的顺利进行，起重机基础加固结构的有限元模型根据实际情况进行了约束。有限元模型主要受浮吊的重量和运行过程中提升载荷的增加的影响。它通过多点耦合单元MPC（多点耦合）应用于船体，即在气缸和主甲板的交叉平面的中心处建立单独的点。平面上的其他节点与独立点相关联，并将集中力应用于独立点[3]。起重机很重，考虑两种情况：首先，只考虑起重机本身的重量，将垂直集中力施加到独立点;其次，只考虑起重机本身的重量和最大起重量到独立点。

3 结构优化

尽管双壳散货船的技术要求不断得到改进和澄清，但双壳设计概念并未首次在船舶设计中提出。为了减少油轮碰撞或珊瑚礁造成的石油泄漏，20世纪90年代实施了油轮双壳船，单壳船正在加速退出世界航运市场。基于上述分析，双壳体的起点是增强船体的侧面结构，以抵抗与货物相关的腐蚀和机械损坏，同时防止货舱在套管损坏后进一步进入水中。此外，双体散货船在节省卸货时间，货舱清洁时间和货舱维护费用方面具有显着优势。在设计双壳散货船或双壳散货船时，将面临以下方面[4]。

当选择双层结构时，散装载体有两种主要类型的双层结构：垂直骨架类型和水平骨架类型。当然，也存在混合骨架形式，其中前两种不同的骨架形式分别应用于内套筒。无论结构类型如何，水平梁和垂直肋条都是双层结构中必不可少的，以确保必要的强度和安全的通道布置。垂直骨架形式在双壳油轮的设计中更为常见。在纵向骨架双壳散货船中，设计了纵向骨架的疲劳强度和纵向板对纵向肋产生的剪切力，以传递外板的压力。横向框架双壳体的优点在于，每个肋条可以均匀地传递外侧和下侧箱体上的压力，从而避免过多的剪切构件，并且缺点是该部分被分成过长的现场对接焊缝。因此，具体结构的实际设计，还要分析和比较各种形式，根据每个部件的重量和制造工艺等因素来全面确定。

在确定双层壳的宽度时，将阐明双层结构的最小宽度，需要双层壳体，即内外壁宽度的双层结构不得小于1米，不论双层结构的形式如何，以上开口处的最小间隙不得小于600mm;如果使用的是垂直股价的双壳结构的话则需要重视纵向肋骨之间的最小间距，其最小间距应当不能超过八分米，与此同时肋骨的端部到纵向的端部之间支架或者铠装都可以放宽到六分米左右的最小间距限制，这样才能够有效的确保双壳船体有着足够的结构强度，进而实际进行运输的过程中就会有着更高的安全性质。设计双壳体的散货船的时候需要根据实际情况下船体的尺寸以及压载舱的提及等来确定散货船的宽度以及其中的流量要求。如果使用便携式散货船的话，使用1.3米的双层散货船为例，则货舱一定是有着小于5%的损失率的，在此基础上随着双壳宽度的增加，艙室损失会越来越小[5]。

除此之外有人曾经考虑使用双壳分离器来用作空罐和压载舱，如果将双壳段用作空段，其优点是可以降低段中涂层的防腐蚀成本，但缺点也很明显，需要单独添加辅助组件，如听起来和通风。如果使用双壳分离作为压载舱，则压载水舱可以连接或分离上侧和下侧舱，由此，消除了由船东制造的单壳散货船的上侧和下侧的连接通道。同时，如果总压载能力满足重压载条件，则可以取消作为压载舱的货舱设计。因此，可以大大简化或消除货舱的局部加固，货舱的特殊涂层要求和与货舱压载物相关的装甲设计。此外，由于取消了作为压载舱的货舱，一些港口解决了一些港口的货物装载问题，这可以通过仅在港口设计压载舱来解决。MSC用于解决结构模型。通过Nastran软件获得起重机加固结构的应力值和分布。在三种工况下绘制了起重机基础加固结构的应力云图，总结了各构件的最大应力结果。

根据分布表中的最大应力结果，可得出几点结论：（1）在两种情况下，基础钢的应力结构相对接近，同一构件在工作条件下产生的压力较高。（2）在这两种情况下，起重机基础加固结构的最大应力位于主甲板上，主要位于主甲板与竖井相交的平面上。由骨料，横舱壁和纵舱壁引起的应力和位移相对较小。（3）在工作条件下，主甲板的最大应力超过材料的允许应力，并且起重机基座的附加结构大大增强。它在最大负载和正常工作条件下具有非常好的工作效果。

4 结语

本文采用有限元法评估改进的多用途货船起重机基础加固结构的强度，评估结构的强度，优化其高应力区域。根据分析，产生的最大应力钢筋结构的起重机基础优化主要是集中在飞机的前主甲板起重机圆柱相交，并且在工作条件下结构产生的最大应力超过材料的允许应力。基于最小原则的修改，因此，起重机基础的钢筋结构优化的区域高应力的位置，主甲板和起重机管的厚度增加，并且扁平钢沿深度方向添加在铲斗中。有效地减小了优化的应力值，其中起重机底座加强结构的部件满足规范要求，并且加强结构的强度足以确保起重机的安全操作。

参考文献

[1] 田立勇，隋然，宋振铎，等.基于有限元法的固体充填液压支架底座结构参数优化[J].机械设计，2018（2）：98-104.

[2] 张英，徐江平，曾刚.桥式起重机主梁稳健优化设计[J].起重运输机械，2018（2）：76-80.

[3] 马思群，姚莉军，张国磊，等.基于OptiStruct的塔式起重机尺寸优化设计[J].起重运输机械，2018（5）：73-77.

[4] 马世辉，王国盛.桁架门式起重机门架结构设计及有限元分析[J].河南机电高等专科学校学报，2018（1）：1-4.

[5] 叶舟，周伟，詹培，等.海上漂浮式风力机Spar平台结构优化设计探究[J].水资源与水工程学报，2018（2）：156-162.