郭艷超 鄭學(xué)義

（上海歐得利船舶工程有限公司 上海 200012）

引 言

最近幾年，我們公司提出新一代“藍(lán)鯨（Blue Whale）”系列多用途船的概念，涵蓋的載重量從4000 t～60000 t。該系列船型具有大開口、靈活的雙層甲板以及可移動谷物艙壁等特點(diǎn)。該船可以很方便地裝載不同的貨物，如大件重貨、集裝箱、散貨等，具有強(qiáng)大的負(fù)載和靈活的裝卸能力，兼具高效的能耗和低排放，受到國內(nèi)外許多船東的好評。

28000 t多用途船是該系列成熟技術(shù)的代表產(chǎn)品。到目前為止，已經(jīng)分別被COSCO、德國Braren、Freese、伊朗以及埃塞俄比亞等船東訂造并交付，也經(jīng)歷了CCS、GL、BV、ABS等船級社的審核，船東和船級社都對該船的特點(diǎn)印象深刻。經(jīng)過實(shí)船運(yùn)營的檢驗(yàn)，該船成為各自公司的明星船型。

該船艙內(nèi)配備2層二甲板，在4個(gè)貨艙中的第2艙和第3艙各裝備一套谷物艙壁，內(nèi)底除了集裝箱設(shè)備的加強(qiáng)外，還能承受3個(gè)墊木25 t/2層1.8 m（直徑）×1.5 m（長度）的卷鋼和抓斗操作。特別是在左舷設(shè)置3臺邊克令吊，其中2臺為可聯(lián)吊的重吊。

在設(shè)計(jì)建造過程中，應(yīng)不同船東的要求，本系列船的3臺邊克令吊具備不同的吊重能力。各個(gè)船級社的船檢人員也就邊克令吊基座的加強(qiáng)以及邊克令吊與附近結(jié)構(gòu)的連接方式等問題，提出了不同的設(shè)計(jì)方案。為解決應(yīng)力集中問題并比較這些方案的優(yōu)劣，我們利用FEMAP 有限元軟件［1］，對具有代表性的吊重能力為80 t和200 t的邊克令吊，建立了多個(gè)有限元模型進(jìn)行分析比較［2-3］，希望能對類似情況給出一定的建議。

1 設(shè)計(jì)方案簡介

本文討論的吊重能力80 t和200 t的邊克令吊，兩者附近的船體結(jié)構(gòu)情況基本相似:克令吊位于左舷舷側(cè)縱向艙口圍板外，筒體截面為長方形，筒體內(nèi)橫向板位于肋位上，其外側(cè)縱向板與外板對接，折角后的主甲板縱骨與其筒體內(nèi)側(cè)縱向板對齊。主甲板以下，在克令吊筒體范圍內(nèi)，除了已有的橫向框架外，其他所有肋位均作適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充加強(qiáng)?？肆畹鯀^(qū)域結(jié)構(gòu)布置情況見圖1。

圖1 邊克令吊區(qū)域有限元模型

圖2 艙蓋設(shè)備典型加強(qiáng)圖

本系列船的舷側(cè)寬度為2200 mm，邊克令吊筒體的寬度大約1490 mm。在克令吊區(qū)域內(nèi)，縱向艙口圍上有很多艙口蓋的設(shè)備，這些設(shè)備尤其是橫向限位裝置的加強(qiáng)肘板的面板有些是縱向幾個(gè)肋位相連。在舷側(cè)寬度有限的情況下，這些加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與克令吊筒體就產(chǎn)生位置沖突（見圖2）。為保證這些加強(qiáng)結(jié)構(gòu)不受影響，我們考慮將艙口圍結(jié)構(gòu)與克令吊筒體相連。由此帶來一個(gè)新的問題——連接部分的應(yīng)力集中，即克令吊工作時(shí)會對相連的艙口圍結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉伸或擠壓，從而出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)。

針對以上問題，本文就邊克令吊筒體與艙口圍的連接方式，提出了兩種不同的設(shè)計(jì)方案，以期解決高度的應(yīng)力集中問題。考慮到在邊克令吊和艙口圍結(jié)構(gòu)完全脫開的情況下，其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式較為常規(guī)，所以本文對這種加強(qiáng)結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)以及有限元計(jì)算不再贅述。

1.1 方案1

邊克令吊筒體與縱向艙口圍板以及其橫向加強(qiáng)肘板相互連接，筒體兩端的艙口圍板用橢圓形光順過渡（見下頁圖3）。該方案的優(yōu)點(diǎn)是克令吊的受力和變形部分地傳遞到艙口圍結(jié)構(gòu)上，同時(shí)避免了邊克令吊與艙口圍橫向肘板距離過近而帶來的施工空間狹小的問題。但因克令吊筒體是與船體梁產(chǎn)生的最大彎曲應(yīng)力處連接，一定要注意節(jié)點(diǎn)處理，避免應(yīng)力集中［4-5］。根據(jù)方案1建立了有限元模型，見圖4。

圖3 方案1結(jié)構(gòu)連接形式

1.2 方案2

邊克令吊筒體與縱向艙口圍板相互獨(dú)立，只采用圓滑的歐米伽（OMEGA）孔形式與其橫向加強(qiáng)肘板相連接，以使應(yīng)力緩慢疏散，避免應(yīng)力集中（見圖5）。這樣的好處是能避免與船體縱向構(gòu)件之間產(chǎn)生直接聯(lián)系，也能解決由于邊克令吊與艙口圍橫向肘板距離過近而帶來施工空間狹小的問題。缺點(diǎn)是施工工藝和精度要求高。根據(jù)方案2建立了有限元模型（見圖6）。

圖4 方案1有限元模型

圖5 方案2結(jié)構(gòu)連接形式

圖6 方案2有限元模型

2 有限元模型的概況介紹

對于以上兩種結(jié)構(gòu)方案，為了減小邊界條件對計(jì)算精度的影響，我們將結(jié)構(gòu)模型的范圍盡可能遠(yuǎn)離克令吊本身:在船寬方向延伸至內(nèi)殼縱艙壁或橫艙壁上縱向桁材以及外板；在型深方向延伸到主甲板下第二層平臺。在有限元模型中，所有扶強(qiáng)材及肘板的面板均用梁單元，所有的板殼結(jié)構(gòu)均用板單元。普通區(qū)域的網(wǎng)格大約為200 mm×200 mm，在容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的局部結(jié)構(gòu)處，單元網(wǎng)格密度細(xì)化為50 mm×50 mm。

2.1 邊界條件

（1）模型的橫向邊界位于橫艙壁上縱向桁材，剛性固定。

（2）模型的垂向邊界位于主甲板下第二層平臺，剛性固定。

（3）模型的縱向邊界位于離克令吊區(qū)域較遠(yuǎn)位置的橫向強(qiáng)框上，剛性固定。

2.2 載荷條件

在本船的實(shí)際運(yùn)營中，克令吊只會在港內(nèi)操作，所以克令吊載荷與艙蓋載荷、船體梁最大載荷不會同時(shí)發(fā)生。

根據(jù)克令吊廠商提供的資料，克令吊的載荷分別為吊重能力為80 t的克令吊，Qmax=1200 kN，Mmax= 32000 kN·m；以及吊重能力為200 t的克令吊，Qmax= 3850 kN，Mmax= 60700 kN·m。其中:Qmax為最大垂向向下載荷； Mmax為可在水平面內(nèi)任何角度作用的最大彎矩。

以上兩型克令吊，對于Mmax，我們可從船長方向開始，在水平面內(nèi)每15°為一個(gè)工況，來模擬其吊臂工作狀態(tài)時(shí)的作業(yè)角度，從而找到對結(jié)構(gòu)加強(qiáng)最危險(xiǎn)的情況，如圖7。

圖7 24種計(jì)算工況彎矩方向示意圖

2.3 應(yīng)力衡準(zhǔn)

本系列船的克令吊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)中，高應(yīng)力處的鋼料等級均為36 kg高強(qiáng)度鋼。根據(jù)船級社相關(guān)規(guī)范，應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)為:合成應(yīng)力［σ］=243 N/mm2。［6］

3 計(jì)算結(jié)果分析與兩種方案的比較

在計(jì)算中，我們對艙蓋的載荷及其加強(qiáng)單獨(dú)進(jìn)行了校核。同時(shí)，考慮到克令吊的位置在艙口角隅附近，我們也仔細(xì)考核了克令吊工作時(shí)，艙口角隅附近的應(yīng)力。結(jié)果表明，兩種方案中，艙蓋載荷的加強(qiáng)以及艙口角隅的結(jié)構(gòu)都能滿足船級社要求。

在以上的模型和邊界條件下，我們通過計(jì)算得到了各個(gè)模型在24種不同工況下的應(yīng)力。

考慮到以上兩種設(shè)計(jì)方案下，主甲板以下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力不大，同時(shí)為了簡化數(shù)據(jù)，我們在附圖中只取每個(gè)克令吊最危險(xiǎn)工況中主甲板以上區(qū)域的應(yīng)力圖。

其中吊重能力80 t邊克令吊的最大合成應(yīng)力，方案1為206.5 N/mm2（見圖8）；方案2為234.8 N/mm2（見圖9），都能滿足船級社規(guī)范的要求。由應(yīng)力云圖可知，在方案1中，最危險(xiǎn)工況中的最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩端肘板的頂部，其余加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均小于168 N/mm2；在方案2中，最危險(xiǎn)工況的最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩端肘板的歐米伽孔邊緣處，其余加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均小于176.3 N/mm2。值得注意的是，方案2中的歐米伽孔形狀是我們經(jīng)過多次方案修改和多次演算后得出的最優(yōu)結(jié)果。方案1與方案2相比，其對于克令吊剛性的提高、應(yīng)力的降低、施工以及解決艙口蓋設(shè)備的加強(qiáng)等方面更為優(yōu)越，是我們推薦的優(yōu)化方案。

圖8 吊重能力80 t克令吊方案1中最危險(xiǎn)工況合成應(yīng)力云圖

圖9 吊重能力80 t克令吊方案2中最危險(xiǎn)工況合成應(yīng)力云圖

吊重能力為200 t的重型邊克令吊最大合成應(yīng)力，方案1為379.6 N/mm2（見圖10）；方案2為437 N/mm2（見圖11），兩種方案的應(yīng)力水平已經(jīng)遠(yuǎn)超船級社規(guī)范要求。同時(shí)，通過我們的試算，即使將高應(yīng)力區(qū)域的板增加至極限板厚，方案1和方案2的應(yīng)力結(jié)果仍遠(yuǎn)超出許可范圍。在吊重加大的情況下，由于艙口圍附近的剛度條件有限，兩種方案都已不再適用。

圖10 吊重能力200 t克令吊方案1中最危險(xiǎn)工況合成應(yīng)力云圖

圖11 吊重能力200 t克令吊方案2中最危險(xiǎn)工況合成應(yīng)力云圖

鑒于以上的計(jì)算結(jié)果，對于多用途船的邊克令吊底部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，尤其是對于特重型吊（吊重能力200 t及以上）的布置，有必要在設(shè)計(jì)初期予以特別重視。在舷側(cè)寬度有限的情況下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該積極與各個(gè)設(shè)備商做好前期溝通，盡可能避免邊克令吊的布置位置與艙口蓋的橫向限位裝置重疊，這樣邊克令吊與艙口圍結(jié)構(gòu)完全脫開，互不影響，從而避免出現(xiàn)因連接而導(dǎo)致的高應(yīng)力結(jié)果或不連接帶來的施工困難的問題。

4 結(jié) 論

本文提出的方案1對吊重能力80 t和120 t的邊克令吊的加強(qiáng)方式均獲得GL船級社的審批；方案2對80 t的邊克令吊的加強(qiáng)方式獲得BV船級社的審批；對于吊重能力200 t的邊克令吊，在實(shí)船中，由于其附近沒有艙口蓋橫向限位的加強(qiáng)，我們采取克令吊與艙口圍結(jié)構(gòu)完全脫開的方法，也獲得GL船級社的認(rèn)可。在多艘實(shí)船的運(yùn)營中，該加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力水平都在可控范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)任何結(jié)構(gòu)問題，也從實(shí)踐上檢驗(yàn)了我們設(shè)計(jì)方案是成功的。

［1］羅旭，趙明宇，雷駿雄. Femap & NX Nastran基礎(chǔ)及高級應(yīng)用［M］. 2009.

［2］孫雪榮，許彬. 克令吊基座的局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.船舶 .2006（6）:21-26.

［3］王立軍，謝永和. 克令吊底座強(qiáng)度有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］. 浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2007年01期:92-95.

［4］中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司. 船舶設(shè)計(jì)使用手冊（結(jié)構(gòu)分冊）［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2002.

［5］劉建成，顧永寧. 大開口船艙口角隅應(yīng)力集中問題研究［J］.船舶工程，2000（6）:9-12.

［6］GL. Regulations for the Construction and Survey of Lifting Appliances， Section 2–Design and Calculation Principles［S］. 1992.

［7］孫雪榮，馬網(wǎng)扣.克令吊基座的局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究（續(xù)）［J］.船舶，2009（3）:26-29.