龐　君，謝永和

（浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山　316022）

250 t起重船打撈扒桿有限元強(qiáng)度分析

龐君，謝永和

（浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316022）

利用有限元分析軟件建立了某內(nèi)河250 t起重船打撈扒桿結(jié)構(gòu)的有限元模型，通過(guò)直接計(jì)算方法對(duì)打撈扒桿在作業(yè)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估，以確定扒桿結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性和安全性。首先進(jìn)行了該非常規(guī)船舶的波浪載荷；其次，涉及起重船打撈扒桿作業(yè)狀態(tài)下的載荷選取，然后評(píng)估了扒桿的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。該船打撈扒桿的強(qiáng)度評(píng)估方法與結(jié)果，可為今后此類內(nèi)河小型起重船的臂架與船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

起重打撈船；扒桿；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；穩(wěn)定性

起重船，又稱為浮吊，用于水上起重、吊裝作業(yè)。一般碼頭起重裝備的自重會(huì)受到碼頭地面承載能力的限制，而起重船是在水上進(jìn)行裝卸起重工作，所以擺脫了這種束縛。而且借助拖船的幫助或自航能力，可以從一個(gè)工作地點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)工作地點(diǎn)，提高了其利用率，而且起重船不受水位差影響。由于這些突出優(yōu)點(diǎn)，起重船的應(yīng)用更加廣泛［1］。

由于起重船在線型、主尺度、裝載上都與普通船舶有很大差異［2］，以及工作的特殊性，在工作過(guò)程中船體基座受力較大，局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中明顯，起吊位置較高，所以對(duì)扒桿和船舶本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高［3］。本文以1艘內(nèi)河250 t起重打撈船為研究對(duì)象，根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2009）及其修改通報(bào)（2012）［4］（以下稱《規(guī)范》）和《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》（2007）（以下稱《規(guī)范》）［5］及《起重設(shè)備法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（1999）［6］（以下稱《規(guī)則》）的有關(guān)要求，特別針對(duì)起重船的特點(diǎn)，對(duì)該船的打撈扒桿在作業(yè)狀態(tài)下建立有限元模型，對(duì)幾種作業(yè)工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行了分析和說(shuō)明，對(duì)于起重船打撈扒桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了意見(jiàn)和建議。

1　船型介紹

該船為250 t自航型起重船，打撈扒桿長(zhǎng)16.5m，當(dāng)扒桿仰角60°時(shí)：主鉤最大起重量為300 t（設(shè)拼裝浮箱），扒桿工作角度：固定60°。在內(nèi)河B級(jí)航區(qū)進(jìn)行起吊作業(yè)，該船主尺度見(jiàn)表1。

表1　主尺度Tab.1　Principal dimensions

2　計(jì)算模型

2.1有限元模型

應(yīng)用PATRAN軟件建立起重、打撈扒桿有限元模型，模型以沿船體縱向指向船艏為X軸，沿船寬方向指向左舷側(cè)為Y軸，沿船體垂向?yàn)閆軸。模型采用板及梁?jiǎn)卧M，打撈扒桿模型底部和頂部結(jié)果采用板單元模擬，中間框架用梁?jiǎn)卧M，由MPC單元過(guò)渡以保證載荷能夠傳遞。圖1和圖2為該起重船打撈扒桿的有限元模型。

圖1　打撈扒桿有限元模型（60°）Fig.1　Finite element model（60°）

圖2　扒桿頂端MPC單元Fig.2　Boom top of MPC

2.2計(jì)算工況載荷

起重船工作情況特殊，其計(jì)算工況也比較復(fù)雜，本文選取起重船的工作狀態(tài)的計(jì)算工況進(jìn)行研究。

起重船工作狀態(tài)有打撈狀態(tài)如圖3所示和放置狀態(tài)如圖4所示。

圖3　打撈狀態(tài)示意圖Fig.3　Salvage status

圖4　放置狀態(tài)示意圖Fig.4　Placement state

本船的打撈扒桿主要起吊質(zhì)量為300 t的工作狀態(tài)作為計(jì)算模型進(jìn)行載荷的選取，所選取的載荷包括以下內(nèi)容：自重載荷、起升載荷、扒桿上滑輪所受的力、風(fēng)載荷、船舶自身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的力。

由以上分析可知起重船在各種工況下載荷的組合內(nèi)容的見(jiàn)表2。

表2　打撈扒桿各種工況載荷組合匯總Tab.2　Salvage boom load combination summary under various working conditions

2.3邊界條件

以起重船打撈作業(yè)工況為例建立計(jì)算模型的邊界條件如表3和圖5所示。

表3　邊界條件Tab.3　Boundary conditions

圖5　邊界條件示意圖Fig.5　Boundary conditions

3　有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)及分析

3.1許用應(yīng)力

按照《規(guī)范》3.2.16.1，起重船打撈扒桿的許用應(yīng)力按下式計(jì)算：

式中σs=345 MPa（材質(zhì)為Q345B強(qiáng)度鋼），屈強(qiáng)比=0.51～0.70 （σb=490～675），系數(shù)β取1.0。

該船的安全系數(shù)n及許用應(yīng)力（MPa）見(jiàn)表4。

表4　安全系數(shù)n及許用應(yīng)力（MPa）Tab.4　Safety factor n and allowable stress（MPa）

3.2有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

由MSC軟件計(jì)算得起重船在工作狀態(tài)下，打撈扒桿在6種工況中的工作應(yīng)力值，與許用應(yīng)力值進(jìn)行比較。比較結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　扒桿最大應(yīng)力（MPa）Tab.5　Maximum stress of boom（MPa）

由表5可見(jiàn)，扒桿有風(fēng)狀態(tài)時(shí)構(gòu)件的應(yīng)力大于無(wú)風(fēng)狀態(tài)。在有風(fēng)狀態(tài)下，橫向受風(fēng)時(shí)構(gòu)件應(yīng)力大于縱向受風(fēng)。LC3即扒桿工作狀態(tài)，起重船左傾3°，前傾2°，同時(shí)受橫向風(fēng)力時(shí)為最危險(xiǎn)工況，此時(shí)扒桿構(gòu)件的應(yīng)力最大。

3.3打撈扒桿穩(wěn)定性校核

（1）校核準(zhǔn)則

按照《規(guī)范》3.2.17.2，同時(shí)承受壓力和彎曲的構(gòu)件，穩(wěn)定性衡準(zhǔn)為：

式中：σm為構(gòu)件承受的彎曲應(yīng)力，MPa；σc為構(gòu)件承受的壓應(yīng)力，MPa；σs為鋼材屈服強(qiáng)度，MPa；σcr為構(gòu)件的臨界的壓應(yīng)力，MPa；根據(jù)構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比和截面形狀決定；n為為安全系數(shù)。

備注：構(gòu)件在x軸和y軸兩個(gè)方向同時(shí)承受彎曲應(yīng)力時(shí)，式中的σm應(yīng)以x軸向的彎曲應(yīng)力σmx和y軸向的彎曲應(yīng)力σmy之和代替之和。

按《規(guī)范》的附錄I，本扒桿為圓截面，羅伯遜常數(shù)α=3.5，由λ=80，查得臨界應(yīng)力σcr，見(jiàn)表6。

表6　臨界壓應(yīng)力等值Tab.6　Criticla compressive press

（2）穩(wěn)定性校核

各工況下整體穩(wěn)定性校核結(jié)果見(jiàn)表7。

表7　打撈扒桿整體穩(wěn)定性Tab.7　Stability of salvage boom

由表7可知扒桿的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，LC6即試驗(yàn)工況的截面軸向應(yīng)力最大，截面彎曲應(yīng)力也為最大。所以扒桿在正常工作中滿足規(guī)范要求能夠安全作業(yè)。

打撈扒桿的應(yīng)力大小如圖6、7所示。

圖6　工況6扒桿梁?jiǎn)卧S向應(yīng)力云圖（MPa）Fig.6　LC6 salvage boom axial stress（MPa）

圖7　LC6扒桿梁?jiǎn)卧獜澢鷳?yīng)力云圖（MPa）Fig.7　LC6 salvage boom bending stress（MPa）

由圖6、7所示以工況6為例：扒桿軸向應(yīng)力最大處出現(xiàn)在主桿，扒桿彎曲應(yīng)力最大處也出現(xiàn)在主桿及扒桿頂部連接處。

4　結(jié)論

本文以1艘內(nèi)河250 t起重打撈船為研究對(duì)象，通過(guò)運(yùn)用有限元分析打撈扒桿有限元模型，進(jìn)行了該船打撈扒桿結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核，計(jì)算結(jié)果滿足中國(guó)海事局和中國(guó)船級(jí)社對(duì)內(nèi)河起重船的相關(guān)規(guī)范和規(guī)則，由于該船在工作狀態(tài)受到橫風(fēng)工況為最危險(xiǎn)工況，而且最大應(yīng)力均出現(xiàn)在主桿和結(jié)構(gòu)連接部位，所以對(duì)于連接部位結(jié)構(gòu)應(yīng)該給予加強(qiáng)。因此，為今后此類內(nèi)河小型起重船的臂架和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考依據(jù)。

［1］楊輝.700 t起重船船體及千金柱有限元強(qiáng)度分析［J］.江蘇船舶，2009，26（6）：15-17.

［2］王立軍，王 偉.全回轉(zhuǎn)式起重船局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究［J］.造船技術(shù)，2008（3）：15-18.

［3］王慶豐.1 000 t起重船有限元強(qiáng)度分析［J］.造船技術(shù)，2009（5）：14-18.

［4］中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)內(nèi)河船建造規(guī)范［S］.2009.

［5］中國(guó)船級(jí)社.船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范［S］.2007.

［6］中國(guó)海事局.起重設(shè)備法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則［S］.1999.

Finite Element Strength Analysis of Salvage Boom of 250 t Floating Crane

PANG Jun，XIE Yong-he
（School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022，China）

In this paper，by using the finite element analysis software，salvage boom finite element model of a certain 250 tons inland floating crane is established.In order to insure the stability and safety of salvage boom structure，the strength and stability of it under different working conditions are calculated through direct calculation method.First，the calculation of load in different working conditions is carried out.Secondly，the strength and stability of the salvage boom are evaluated.Through the above work，it provides some references for the salvage boom optimization for such small inland floating crane.

floating crane；boom；structural strength；stability

U661.42

A

1008-830X（2016）02-0155-05

2016-01-10

龐君（1987-），女，河南焦作人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化.