油船货油软管吊基座加强结构设计

张星，王利山，徐绿洲,张伟

(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

油船上的货油软管吊用于吊运主甲板上的输油管及其他物品等。通常吊机安装位置较高，这也要求有相应较高的基座。吊机在吊运物品时，基座底部受较大弯矩，因此在基座及船体局部结构设计过程中应关注这部分的结构强度[1]。本文运用有限元方法，对公司某型11.4万t冰区阿芙拉成品油船的软管吊基座及其支撑结构强度进行分析和设计，使其结构在满足规范的强度要求的基础上布置更合理，便于现场施工，同时保证主船体结构的完整性。

1 船型概况

11.4万t阿芙拉成品油船采用双壳、双底结构，需满足冰区ICE 1C，设计和建造难度较大。该型船共有6个货油舱，其中3舱为风暴压载舱，2台货油软管吊布置在4舱主甲板上，该吊机主结构为圆柱形设计，臂架为箱形结构，左右舷对称。软管吊布置见图1。

图1 11.4万t阿芙拉成品油船软管吊布置主视图

2 有限元建模分析

2.1 建立有限元模型

软管吊在工作时主船体局部受力，因此运用PATRAN建模时需要将受影响的主船体包含在内，吊车基坐位于沿船长FR70+1 530，沿船宽甲板纵骨DL14的位置。综合评估后，模型的范围为船长方向取FR69-1 000～FR72，总长14.08 m；宽度取左舷CL6～CL22，总宽13.12 m；高度方向取主甲板以下3 m至基座顶端，总高5.437 m。单元网格大小为200 mm×200 mm,坐标系与船体坐标系一致，基于结构总尺寸进行评估，模型主船体边界所有节点刚性约束，见图2。

图2 基座加强有限元约束条件和板厚属性

设计软管吊加强结构主要由3部分组成。

1)筒形加强结构，350 mm×20 mm_AH32,用315高强度钢与软管吊基座在甲板处对接。

2)对与筒形结构加强相关的3道纵骨做局部加强,同样使用315高强度钢，T排尺寸增加到1 200×20+200×20_AH32，纵骨连接处用肘板平稳过度。

3)横向用一道16 mm厚、550 mm的315高强度钢的加强筋连接纵向结构。

2.2 规范衡准

研究船型需要同时满足HCSR共同规范[2]和OCIMF油船规范的要求。对于软管吊，设计载荷应取1.3倍安全工作载荷加起重设备自重，支撑结构作用力的许用值：

正应力为0.67ReH，剪切应力为0.39ReH。ReH为材料屈服应力，MPa。

2.3 基座受力

软管吊规格为15T 3.9-19 m，根据设备厂商提供的数据，吊车本身自重为24 t，受力见表1。

表1 软管吊对甲板的作用力

2.4 加载工况

根据软管吊的工作轨迹，分析5种作业工况，见图3。

图3 软管吊加载工况的吊杆位置

以吊杆中心线的位置为准，分别平行、垂直、45°夹角于船中纵剖面，涵盖主船体极端受力的典型工况[3]。在有限元模型中建立不同的局部坐标系，按照实际情况加载，分析这5种工况下基座、主船体和加强结构的受力和变形情况。

基座受力在有限元软件中模拟为作用在RBE2型MPC上，垂向力、径向力、弯矩以及转矩均加载在软管吊筒型基座的顶端同心圆圆心，受力点通过MPC连接筒型基座顶部每个单元节点，借由这种形式将力传递到基座和主船体结构及加强区域[4]。

结合HCSR共同规范规定的1.3倍安全系数和吊车本身自重，软管吊基座MPC的受力加载见表2。

表2 各工况下MPC加载的力

2.5 有限元计算初始结果

在初始方案中，软管吊基座加强结构包括主甲板面主要采用高强度钢AH32，这种钢级的屈服应力为315 MPa，正应力和剪切应力的许用值分别为211 MPa和122.85 MPa。比较5种工况下的正应力(x方向和y方向)和剪切应力最大值和许用值，见表3。

表3 各工况下正应力和剪切应力最大值 MPa

工况3下主船体和加强结构受到的正应力和剪切应力最为严重，工况3加强结构的剪切应力分布图4。

图4 LC3工况下剪切应力分布(甲板以下)

如图4所示，最大应力点出现在短纵桁与甲板、圆筒基座接触的位置。因此，加强方案需要根据规范要求和生产实际进行结构优化，对应力最大的板格区域进行局部加强，并保证主要构件变形在可控范围内[5]。

3 加强方案对比

随着软管吊吊运角度和轨迹的变化，这5种典型工况在相同大小力的作用下对船体结构的影响是不同的。根据初始结果，在垂直于总纵剖面的工况下剪切应力值达到了最大值。为了改善接触处的高应力情况，一般考虑采用4种方法：①增加结构的局部板厚；②将高强度钢的钢级由AH32升级为有着更高屈服应力的AH36；③改变加强形式和结构布局；④变动软管吊安装位置。

以下分析2种加强方案，在贴合现场施工的基础上力求找到最佳设计。

3.1 方案1

以高应力区局部加板厚和更改结构加强的形式展开。如图5所示，位于两侧的两道短纵桁局部厚度加厚，板厚由“20_AH32”变为 “33_AH32”和“24_AH32”,为便于现场施工，原整圆形加强筋在和甲板纵骨DL13和DL15交接的地方中断，横向连接2根规格为“FB350×22_AH32”的加强筋，与圆形加强筋规格相同，这样可有效避免应力集中和焊接困难2种弊端。

图5 软管吊结构加强设计方案1

由有限元计算得到，模型应力分布，见表4和图6。

表4 方案1各工况下应力最大值 MPa

图6 LC3工况下剪切应力分布(主甲板以下加强区域)

数据显示加强结构的正应力和剪切应力值均达到规范要求，在许用值范围内。对比前后2种加强方案，由表5可知，在最严重工况下，相关加强结构的受力明显减小，正应力最大下降19%，剪应力最大下降40%。

表5 方案1与初始方案工况3(LC3)的应力对比

3.2 方案2

本冰区阿芙拉成品油船设置的2台软管吊位于4舱主甲板左右两舷，纵向设置在相邻2个强横梁之间，横向没有像甲板强横梁这种主要构件的有效支撑，这与常规仅配置1台软管吊且放置于中纵舱壁和甲板强横梁交界处的设计有明显区别，要求吊车基座的加强需要拥有更加强有力的抗结构失效能力来满足HCSR共同规范。

方案2是在方案1的加强结构形式基础上,将2台软管吊纵向位置设计成布置在4舱主甲板的强横梁处，基座的纵向加强横跨两档，由主甲板横梁作为主要支撑构件,见图7。基座受力情况见表6。

图7 软管吊结构加强设计方案2

表6 方案2各工况下基座应力最大值 MPa

对比方案2和初始方案，表7中数据显示方案2中各工况下的应力值远小于规范许用值，结构加强更加有效，同时也证明软管吊在主船体的定位对基座加强结构有很大的影响。

表7 方案2与初始方案在工况3(LC3)的应力对比

4 结论

船舶结构设计方案应满足规范要求，同时使结构最优，保证工艺简单、施工便捷[6]。文中各项数据显示，软管吊的基座加强结构受力与软管吊安装位置、吊装角度、吊装能力密切相关。在选取的5种典型工况中，吊臂垂直于总纵剖面时，甲板下方的加强结构受到的剪切应力最大。所提出的2种设计方案，方案1是在不改变软管吊和主船体相对位置的前提下，采用局部加强，改变结构形式的方法直接指导现场修正；方案2是假设将软管吊基座位置设计在主船体横梁处，在相同工况下基座加强结构受到的应力大幅降低。由此可见，在设计初期，如果能将软管吊等设备的基座结构局部受力的因素考虑在内，合理配置软管吊规格、安装位置等各种参数，将更有利于主船体结构的整体性，缩短船舶的设计周期。