起重船船体结构强度有限元分析

2021-10-17刘健中

中国水运 2021年9期

刘健中

摘要：起重船作为一种工程船舶，由于其起重作业要求，船体结构局部区域受力集中且分布不均匀，因此对船体结构强度的要求比较高。本文针对某58m沿海航区起重船，运用MSC.Patran/Nastran有限元计算软件，计算其起重作业工况下的局部结构强度，分析应力分布规律，对该类型船舶的结构设计具有参考意义。

关键词：局部强度;起重船;有限元分析

中图分类号：U674.35 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）09-0115-03

起重船作为一种常见的工程船舶，承载着吊装、打捞沉船、装卸货物等水上工程任务。起重船按照航行方式可以分为自航式与非自航式。非自航式起重船常以驳船的形式出现。按船体数可以分为单体与双体起重船两种。双体起重船是由两个单船体通过连接桥连接，相较单体船具有稳定性好、横摇周期短、操纵灵活、起重量大等优点。按照起重机的作业特点可以分为固定式、半回转式、全回转式。固定式起重船的起重臂不能水平旋转。全回转式起重船的起重臂能够通过起重机底座进行360°旋转，作业方式更加灵活。起重臂由钢结构组成，通常可在垂直方向进行起升、变幅。可见全回转式起重船在作业工况上会更加复杂。其总体受力大，局部区域受力集中，对船体结构、起重机回转底座的强度储备要求很高[1]。

近几十年来随着海洋工程技术的进步，起重船有了很大发展，首先起重船的用途逐渐向海洋工程服务发展。例如海底油气管道铺设、海上大型桥梁建设、海洋平台、海上风机的吊装、海难事故援救等都要依靠起重船。二是起重船的作业水域由内河转入近海。三是起重船逐渐趋于大型化。四是起重船的功能性多样化。准确的起重船船体结构强度计算方法为该类型船舶的结构设计提供理论数据支撑，为其结构的优化提供指导意义。

本文以某沿海航区58m全回转起重船为例，按照中国船级社《国内航行海船建造规范》《船舶及海上设施起重设备规范》的要求，使用MSC.Patran/ Nastran对起重船船体结构进行强度计算。

1船体结构有限元模型

1.1结构模型

1.1.1目标船主要参数

本文以某沿海航区58m全回转起重船为例，进行局部结构强度计算。该船总长58.00 m，垂线间长56.00 m，型宽20.80 m，型深4.08 m，设计吃水2.00 m。主钩起吊重量起吊高度：50m。全回转：200t。副钩起吊重量，起吊高度：60m。全回转：50t。航区：沿海。

1.1.2有限元结构模型

本文按照《國内航行海船建造规范》中相关规定，采用子结构建模技术对目标船进行建模。该船船体模型的结构为左右对称结构。模型横向范围选取到船体内舷侧，舱段模型的纵向范围从#63肋位到#102肋位。垂向范围为整个型深。船体钢材屈服强度σs=235MPa;材料的弹性模量E=2.06×105MPa;泊松比0.3;密度7.85t/m3。船体结构模型如图1～图3所示。

1.1.3坐标系

本模型坐标系为：坐标系统的原点取在#63肋位船体船舯甲板处。X轴指向船首为正;Y轴由原点指向左舷为正;Z轴垂直向上为正。

1.1.4边界条件

模型的两端（简称A端和B端）均需约束。

1.2工况及载荷

1.2.1计算工况

根据《船舶与海上设施起重设备规范》及完整稳性计算书考虑以下2种工况：

工况1：全部燃料备品30°的变幅（吊杆沿船长方向）。

工况2：全部燃料备品30°的变幅（吊杆沿船宽方向）。

1.2.2载荷计算

根据《船舶与海上设施起重设备规范》将计算载荷加在基座构建模型的最顶端，且合力的作用位置应设在加载断面的几何形心处，采用MPC（多点约束/主从节点）方式进行加载[2]。作业时当正横且变辐30度时产生最大倾侧力矩Mmax。载荷详见表1。加载模型见图4～图5。

2分析结果