錢俊林，項(xiàng)國飛，王慶豐，徐 驍

(1.如皋市交通運(yùn)輸綜合執(zhí)法大隊(duì)，江蘇 如皋 226500；2.江蘇大洋海洋裝備有限公司，江蘇 南京 210032；3.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

起重船按照起重能力、工作海域及船體結(jié)構(gòu)可分為半潛式起重船和浮式起重船2種。起重船在海上作業(yè)、橋梁建筑、海上風(fēng)機(jī)安裝等各類海洋工程中都有廣泛的應(yīng)用。隨著船上配備的吊機(jī)等設(shè)備的不斷更新，使得起重船擁有更大的吊裝能力及自航能力，可以適應(yīng)絕大多數(shù)的海況條件并完成作業(yè)。現(xiàn)如今各類海上風(fēng)電裝備的安裝與維護(hù)作業(yè)對進(jìn)行相關(guān)作業(yè)起重船的需求量隨之增加。起重船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是衡量起重船安全性的主要指標(biāo)之一，但大多相關(guān)文獻(xiàn)研究的是起重船甲板在單一載荷作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本文對某90 m起重船的上層建筑結(jié)構(gòu)在直升機(jī)載荷、行車載荷及兩者聯(lián)合載荷的作用下使用有限元分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算并進(jìn)行校核，針對相關(guān)計(jì)算校核中經(jīng)常忽略的載荷的聯(lián)合作用的問題提出了一種研究方法。

1 起重船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

90 m起重船的設(shè)計(jì)參數(shù)為：垂線間長90.00 m，型寬27.00 m，型深6.00 m，設(shè)計(jì)吃水4.35 m。上層建筑甲板位于船艉一側(cè)。上層建筑甲板設(shè)計(jì)有直升機(jī)甲板，可以滿足起飛重量49 kN、螺旋槳直徑14 m的EC155B1型直升機(jī)的作業(yè)要求，并且在直升機(jī)停靠的同時(shí)該甲板依然可以進(jìn)行行車作業(yè)(行車自重160 kN，吊升160 kN，總重320 kN)。這對上層建筑甲板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度提出了較高的要求。本文主要利用PATRAN軟件對上層建筑甲板在直升機(jī)和行車載荷聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，對甲板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性。

2 有限元結(jié)構(gòu)模擬

2.1 有限元方法基本步驟

(1)將研究對象劃分為由足夠多數(shù)量單元體組成的整體。

(2)根據(jù)不同計(jì)算區(qū)域可以將目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行劃分，得到域函數(shù)。

(3)通過上一步的表達(dá)，可以將有限元分析向數(shù)值分析方法進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而解決相關(guān)問題。

(4)求解域的計(jì)算近似值得到的差值函數(shù)為近似解。當(dāng)滿足收斂的條件后，得到的解可以作為精確解。

2.2 結(jié)構(gòu)模型

模型坐標(biāo)系采用右手笛卡爾坐標(biāo)系：

X

軸沿船體縱向指向船首，

Y

軸沿船寬方向指向左舷側(cè)，

Z

軸從船體基線垂直甲板向上。跳板面板、封板和主要縱向橫向隔板采用四邊形的殼單元進(jìn)行建模，縱向骨材采用梁單元進(jìn)行建模。單元體的尺寸控制在100 mm×100 mm。材料采用線彈性材料本構(gòu)模型。上層建筑結(jié)構(gòu)有限元模型見圖1。

圖1 上層建筑結(jié)構(gòu)有限元模型示意圖

2.3 邊界條件

模擬上層建筑甲板在直升機(jī)和行車2種載荷聯(lián)合作用時(shí)的情況。進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，在模型底部(上層建筑與甲板連接處)施加載荷，用以控制上層建筑的位移，模擬船體結(jié)構(gòu)對上層建筑的支撐作用。模型約束條件見圖2。

圖2 模型約束示意圖

2.4 載荷與工況

根據(jù)中國船級社《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2018)第2篇船體部分第1章第5節(jié)直接計(jì)算及第2章第18節(jié)直升機(jī)甲板的有關(guān)要求，對目標(biāo)船上層建筑甲板在直升機(jī)和行車載荷聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元計(jì)算。

2.4.1 載荷情況

(1)結(jié)構(gòu)自重

模型的結(jié)構(gòu)自重采用重力加速度進(jìn)行模擬。

(2)行車重量

行車重量為160 kN，考慮1.2倍的動載荷系數(shù)，分別作用在上層建筑中間位置并且在兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行加載。行車載荷加載位置見圖3。

圖3 行車載荷加載示意圖

(3)直升機(jī)載荷

按照規(guī)范要求：直升機(jī)載荷為甲板均布載荷2 kPa。直升機(jī)均布載荷示意圖見圖4。直升機(jī)降落載荷為7 kPa，取兩輪同時(shí)落地的情況，兩輪間距取1.5 m，作用在中間位置；直升機(jī)系留載荷為5 kPa，取兩輪同時(shí)落地的情況，水平和垂向的慣性載荷取0.5倍自重。系留載荷示意圖見圖5。

圖4 直升機(jī)均布載荷示意圖

圖5 直升機(jī)系留載荷示意圖

(4)環(huán)境載荷

按規(guī)范要求，環(huán)境載荷取0.5 kPa。

2.4.2 工況組合

按照規(guī)范要求，對甲板均布載荷、直升機(jī)著陸和系留3種工況條件進(jìn)行整合。工況組合見表1。

表1 工況組合表 單位：kPa

3 模擬計(jì)算

3.1 屈服強(qiáng)度計(jì)算

將以上3種工況條件進(jìn)行模擬計(jì)算，分別計(jì)算上層建筑結(jié)構(gòu)整體的形變量與應(yīng)力，隨后在此基礎(chǔ)上對上層建筑甲板應(yīng)力做更有針對性的應(yīng)力分析，同時(shí)對上層建筑甲板的主要構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：甲板結(jié)構(gòu)中心位置形變量最為明顯，LC1工況條件下最大形變量為4.58 mm，LC2工況條件下最大形變量為4.92 mm，LC3工況條件下最大形變量為6.40 mm，并且3種工況條件都呈現(xiàn)形變量從甲板邊緣向中心逐漸變大的趨勢。

在3種組合工況的條件下，每一種工況條件下發(fā)生最大應(yīng)力的位置都是位于行車載荷施加的位置，但是3種工況條件下產(chǎn)生的最大應(yīng)力值各不相同：LC1工況條件的最大應(yīng)力值為29.3 MPa，LC2工況條件的最大應(yīng)力值為28.0 MPa，LC3工況條件的最大應(yīng)力值為28.7 MPa。對上層建筑整體的應(yīng)力進(jìn)行分析后有必要對上甲板應(yīng)力進(jìn)行單獨(dú)研究，對其在3種組合載荷工況條件下應(yīng)力進(jìn)行分析。

對上甲板區(qū)域整體應(yīng)力進(jìn)行分析可以得到：3種組合工況條件下應(yīng)力極值發(fā)生的位置基本相同，但是各個(gè)工況條件的應(yīng)力最大數(shù)值互不相同，數(shù)值與上文結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分析中的數(shù)值結(jié)果相同，遂對甲板主要構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力分析。

在3種組合工況條件下，其主要構(gòu)件應(yīng)力各不相同，在LC3組合工況條件下，上甲板主要構(gòu)件的應(yīng)力最大。將以上上層建筑結(jié)構(gòu)的屈服模擬計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2018)要求，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核，其結(jié)果見表2。

表2 結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度校核

綜上，該90 m起重船上層建筑結(jié)構(gòu)及其上層建筑結(jié)構(gòu)甲板的屈服強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

3.2 屈曲強(qiáng)度計(jì)算

為了進(jìn)一步驗(yàn)證船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需要對舷側(cè)區(qū)域進(jìn)行屈曲強(qiáng)度的計(jì)算分析。舷側(cè)結(jié)構(gòu)屈曲計(jì)算因子云圖見圖6。

由圖6中可知：最小計(jì)算屈曲因子為4.94，規(guī)范要求計(jì)算屈曲因子應(yīng)大于許用值1.0，因此該起重船的舷側(cè)區(qū)域屈曲強(qiáng)度滿足衡準(zhǔn)要求。

圖6 舷側(cè)結(jié)構(gòu)屈曲計(jì)算因子云圖

4 結(jié)論

通過對90 m起重船上層建筑結(jié)構(gòu)在直升機(jī)載荷、行車載荷及兩者聯(lián)合載荷的作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，對甲板的屈服強(qiáng)度和舷側(cè)結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度進(jìn)行校核，得到的結(jié)論如下：

(1)該船的上層建筑結(jié)構(gòu)能滿足規(guī)范所描述的直升機(jī)作業(yè)場景下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

(2)在分析起重船考慮直升機(jī)與行車聯(lián)合載荷共同作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，使用有限元分析的方法可以更為直觀地得到計(jì)算結(jié)果。并且在此基礎(chǔ)上可以對結(jié)構(gòu)整體及主要構(gòu)件分別進(jìn)行強(qiáng)度分析，使結(jié)果的可靠性進(jìn)一步提高。

(3)有限元模擬計(jì)算不僅可以校核屈服強(qiáng)度，還可以校核各個(gè)結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度，從而在保證精確性的基礎(chǔ)上減少校核步驟，提高工作效率。