90 m加油船输油臂基座加强结构强度分析

刘 聪，张 伟

(1.招商局金陵鼎衡船舶(扬州)有限公司, 江苏 扬州 225217;2.江苏海事职业技术学院 船舶与海洋工程学院，江苏 南京 211170)

0 引言

输油臂是加油船的重要部分之一，输油臂作业时，将输油臂船上的接头和泊位上的管线连接起来，通过船上的动力装置，将船舱里的油送到管线里，再顺着管线送到罐区或者装车区。这些操作导致船舶输油臂部位工作强度高、使用频繁，所以通过精确的计算来判断该处基座结构是否满足工作需要就至关重要。通过对输油臂基座加强结构进行数值模拟，分析其在实际工作环境下的应力情况，有利于使用方清楚了解设备工作情况。

某起重船针对在直升机和行车各自及载荷联合作用下上层建筑甲板的屈服强度和舷侧结构的屈曲强度，应用有限元方法进行了强度分析，各工况计算结果均达到规范要求。有限元方法虽在船舶领域应用广泛，但并未扩展到加油船输油臂基座加强结构的计算。

本文以某90 m加油船为研究对象，采用有限元软件MSC.Patran/ Nastran，对该加油船在输油臂0°、45°、90° 3种回转角度下的基座加强结构强度进行计算，并根据中国船级社《钢质海船入级规范》(2018)(以下简称《规范》)进行了校核。

1 有限元模型建立

1.1 主尺度

90 m加油船是一种搭载柴油机动力、具备双螺旋桨推进形式、双舵机操纵的近海航区输油船，其船体结构形式为混合骨架式，底部采用双层底、双舷侧结构形式，且艏艉对称、左右舷侧对称。

主要参数下：

总长90.0 m，型深2.5 m，型宽14.0 m，梁拱0.14 m，设计吃水1.0 m。

1.2 坐标系定义

坐标系定义为：本文计算取直角坐标系；轴沿船长指向船首为正，轴沿船宽指向左舷为正，轴沿型深向上为正。

1.3 舱段有限元模型

本模型的纵向范围为Fr115～Fr123，横向范围为右舷舷侧到第1个强肋位处，垂向范围为船体型深。由于在甲板右舷2个肋位处的结构具有相似性，因此计算时可选取其中一处的输油臂基座及其附近船体结构进行计算分析。

甲板面、基座和舱壁等用板单元模拟，对于各类板上的纵骨、扶强材、普通肋骨等用梁单元模拟，并考虑偏心的影响。强肋骨、强纵桁的T材面板用梁单元，腹板用板元，输油臂用多点约束(MPC)刚性模拟。输油臂基座加强结构有限元模型见图1。

图1 输油臂基座加强结构有限元模型

1.4 边界条件

按照《规范》要求，边界条件为在新增加的烟囱与原烟囱连接部分以及上甲板边缘部分施加简支约束，即对各节点、、3个位移分量进行约束，边界条件见图2。

图2 边界条件

2 载荷施加

本船配备DN200装卸臂。DN200装卸臂的载荷有：垂直载荷135 kN和倾覆力矩320 kN·m。模型中所有力均施加在上甲板上方距基座面板高度为4.0 m的MPC独立点上。考虑到对称性和装卸臂的回转角度，可选取0°、45°、90° 3种工况分别进行计算。各工况模型受力见表1。

表1 0°、45°、90°3种工况模型受力情况

3 计算结果

3.1 许用应力

根据《规范》要求，本船各构件许用应力见表2。本船采用A级钢，其材料换算系数为1.0。

表2 强力甲板及以下结构各构件许用应力

3.2 应力结果汇总

通过对0°、45°、90° 3种工况进行加载分析，得到输油臂基座加强结构有限元模型的剪切应力、合成应力、梁单元最大应力、梁单元最小应力结果，见表3。

表3 0°、45°、90° 3种工况加载分析应力结果 单位：MPa

通过对应力结果的分析得到，90°工况下合成最大应力为30.1 MPa，45°工况下剪切最大应力为9.66 MPa，90°工况下梁单元最大应力为76.5 MPa，90°工况下梁单元最大应力为92.2 MPa，均未超过许用应力。经过有限元数值模拟计算，90 m加油船输油臂基座加强结构的强度满足规范要求，加强结构方案设计合理。

利用有限元软件MSC.Patran/Nastran，通过对90 m加油船输油臂基座加强结构0°、45°、90° 3种工况进行应力计算，得到整体结构的应力云图，分别见图3～图5。

图3 组合应力(0°工况)(单位：MPa)

图4 组合应力(45°工况)(单位：MPa)

图5 组合应力(90°工况)(单位：MPa)

4 输油臂基座螺栓力计算

根据甲板螺栓布置图，共分为16个螺栓，其分布情况见图6。

图6 螺栓编号示意图

16个螺栓分别进行编号计算。根据《规范》，对于第个螺栓组的轴向力可按下式计算：

(1)

(2)

=+-

(3)

作用于第个螺栓组的剪切力、和合成力可按下式计算：

(4)

(5)

(6)

式中：为作用在第个螺栓组上的朝向方向的剪切力，kN；为作用在第个螺栓组上的朝向方向的剪切力，kN；为作用在第个螺栓组上的合成力，kN。

本文研究的90 m加油船输油臂基座的螺栓材质为35#钢，螺栓规格M42，屈服极限为315 MPa，按照《规范》要求，安全系数大于2，得到螺栓的应力[]=157.5 MPa，剪应力[]=78.75 MPa，截面积=1 121 mm。

(1)取最大轴向力=8.67 kN校核正应力：

=7.734 MPa<[],满足强度要求。

(2)取最大剪切力=5.75 kN校核剪切力：

=5.13 MPa<[],满足强度要求。

5 结论

(1)该90 m加油船的输油臂基座附近结构的应力值最大的地方位于螺栓部位，但是均小于许用应力值；输油臂基座加强结构强度满足《钢质海船入级规范》(2018)要求。

(2)本文研究的90 m加油船已经在船厂投入实际使用，输油臂安全性能满足要求。对于输油臂而言，由于其载荷和弯矩均较大，且自身重量也较大，为保证船体结构的安全，需进行结构加强和结构强度分析。