陳若泰，嚴(yán) 柳，李少澤

(1.招商局郵輪制造有限公司，江蘇 南通 226000；2.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引言

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。大型旋轉(zhuǎn)式起重船作為海上風(fēng)電項(xiàng)目安裝的重要設(shè)施，其起重機(jī)能夠在水面上作360°旋轉(zhuǎn)，承擔(dān)著貨物的裝載、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)樁打樁、風(fēng)機(jī)筒的安裝等工作。本文選取正在建造的16 000 kN全回轉(zhuǎn)起重船的起重機(jī)基座作為研究對(duì)象，通過對(duì)比分析起重機(jī)布置和其基座形式的優(yōu)缺點(diǎn)，確定起重機(jī)基座的形式，并采用有限元方法驗(yàn)證當(dāng)前設(shè)計(jì)的該船船體結(jié)構(gòu)和起重機(jī)基座的強(qiáng)度是否滿足船級(jí)社要求，為起重船的安全運(yùn)行和起重機(jī)的正常使用提供保障。

1 主要參數(shù)

16 000 kN全回轉(zhuǎn)起重船為全焊接式鋼質(zhì)、單殼、單甲板的箱型船，適用于近海、沿海、內(nèi)河等水域進(jìn)行吊裝工作，也能夠在潮間帶坐底作業(yè)。其主要參數(shù)如下：船長(zhǎng)(主甲板)102.0 m，船寬39.6 m，型深9.0 m，設(shè)計(jì)吃水4.0 m(拖航工況)，作業(yè)吃水5.0 m(浮態(tài)起重重)，結(jié)構(gòu)吃水7.0 m；最大起重能力為16 000 kN，主鉤最大起升高度約110 m。起重機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 起重機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 起重機(jī)基座設(shè)計(jì)

2.1 起重機(jī)設(shè)計(jì)因數(shù)分析

16 000 kN全回轉(zhuǎn)起重機(jī)作為該起重船最重要的設(shè)備之一，能否發(fā)揮其應(yīng)有的性能是評(píng)價(jià)該起重船滿足設(shè)計(jì)要求的最基本的指標(biāo)之一。而起重機(jī)的性能與其布置的位置有直接關(guān)系，同時(shí)起重機(jī)的布置又與該船的重量分布、總縱彎矩、穩(wěn)性密切相關(guān)。為了提高起重機(jī)的性能，從以下幾個(gè)方面分析起重機(jī)的位置：

(1)將起重機(jī)基座布置在船首。為了便于船舶的遷移和操作，駕駛室和生活區(qū)一般布置在船首。

(2)將起重機(jī)基座布置在船中。將起重機(jī)基座布置在船中，有利于該船的調(diào)載，但會(huì)減少整體的凈甲板面積。在主甲板上減少大型貨物堆放區(qū)域，同時(shí)主起重機(jī)下方為整船結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)域，艙壁的開孔受到限制，會(huì)增加管路和電纜的穿艙，增加船舶建造難度。因此，不能將起重機(jī)基座布置在船中。

(3)將起重機(jī)基座布置在船尾。該方案能夠?qū)⒋械募装宥荚O(shè)置為貨物堆放區(qū)域，從而能夠堆放大型尺寸構(gòu)件。本船采用該布置，其布置見圖1。

圖1 主起重機(jī)布置圖

2.2 起重機(jī)基座形式設(shè)計(jì)

為了避免起重機(jī)基座與起重機(jī)筒體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中和連接構(gòu)件的疲勞，將起重機(jī)基座的上口直徑與起重機(jī)底座筒體的直徑一致，從而使起重機(jī)載荷更好地傳遞到船體結(jié)構(gòu)上。采用上述的連接形式不僅能夠使該處連接簡(jiǎn)單化，而且降低了后期施工的難度。

常見的起重機(jī)基座下口一般有圓筒型和上圓下方型，具體形式見圖2和圖3。圓筒型基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，減少了起重機(jī)基座橫縱艙壁及艙壁上的垂直桁材和水平桁材，進(jìn)而降低了起重機(jī)基座的整體重量，減少了建造成本；同時(shí)，采用該結(jié)構(gòu)形式的基座，可以減少起重機(jī)基座過渡段的應(yīng)力集中現(xiàn)象以及降低施工過程中焊接工藝的難度。上圓下方機(jī)基座雖然能夠很好地將起重機(jī)的載荷傳遞到船體結(jié)構(gòu)上，但是需要在船體上額外增加4道艙壁，用于傳遞起重機(jī)的載荷，且采用該方案在結(jié)構(gòu)過渡階段施工困難、施工精度要求高。考慮本船起重機(jī)基座下方?jīng)]有額外的空間用于布置橫縱艙壁，故采用圖2的結(jié)構(gòu)形式作為最終設(shè)計(jì)方案。

圖2 圓筒型基座形式

圖3 上圓下方基座形式

采用圓柱形支撐形式作為起重機(jī)基座，其結(jié)構(gòu)形式從船底一直貫穿主甲板，并與起重機(jī)底座連接，見圖4。起重機(jī)基座的支撐圓柱結(jié)構(gòu)在主甲板以上10 m的板厚為60 mm的高強(qiáng)度鋼，主甲板到主甲板以下2.85 m的壁厚為60 mm的高強(qiáng)度鋼，主甲板以下2.85 m到船底的壁厚為40 mm的高強(qiáng)度鋼；從主甲板到起重機(jī)底座的圓柱體均布30根垂直桁梁；垂直桁梁以圓柱的圓心為中心均勻排列，垂直桁梁之間的夾角為12°，垂直桁梁的尺寸為腹板高度400 mm、厚度30 mm的高強(qiáng)度鋼，面板為高度150 mm、厚度30 mm的高強(qiáng)度鋼；垂直桁梁與甲板的連接采用肘板連接，肘板趾端采用軟趾連接并且要打磨光順，減少應(yīng)力集中。此種設(shè)計(jì)在減輕空船重量的同時(shí)能夠最大限度地將起重機(jī)載荷傳遞到船體上。同時(shí)按照起重機(jī)設(shè)備資料的要求，起重機(jī)底座高度為10 m。

圖4 起重機(jī)基座圖(單位：mm)

2.3 起重機(jī)基座強(qiáng)度有限元驗(yàn)證

為了校核主起重機(jī)基座位置及支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，采用有限元軟件FEMAP對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。模型使用板單元和梁?jiǎn)卧旖ǎ?節(jié)點(diǎn)板單元模擬扶強(qiáng)材、桁材、甲板板、艙壁和外板；2節(jié)點(diǎn)的梁?jiǎn)卧M甲板下的支柱。為保證計(jì)算精度，在建模時(shí)，船長(zhǎng)方向選0～75肋位的結(jié)構(gòu)，船寬方向選取右舷舷側(cè)外板至左舷舷側(cè)外板，高度方向沿船底板到主甲板往上10 m。船體結(jié)構(gòu)及起重機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)鋼，彈性模量為2.06×10MPa，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力為355 MPa，有限元模型見圖5。

圖5 起重機(jī)基座強(qiáng)度校核模型

按照起重船的設(shè)計(jì)要求，本船的設(shè)計(jì)工況分為坐底作業(yè)工況、浮態(tài)起重作業(yè)工況及調(diào)遣工況，因而需對(duì)有限元模型施加不同環(huán)境載荷，包括甲板載荷、起重機(jī)載荷、風(fēng)載荷及水載荷等。

甲板載荷按照最大甲板載荷20 000 kN選取。為保證起重機(jī)基座強(qiáng)度滿足要求，將20 000 kN甲板載荷施加在主甲板靠近起重機(jī)的載貨區(qū)域。

風(fēng)載荷按照《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》要求計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，作業(yè)工況風(fēng)壓為245.2 Pa，調(diào)遣工況風(fēng)壓為1 854.3 Pa。

水載荷與平臺(tái)吃水有關(guān)。起重船坐底作業(yè)吃水為2 m，浮態(tài)起重作業(yè)吃水為5 m，遷移工況吃水為4 m，水載荷按照水的壓強(qiáng)公式施加到船體表面。

本船起重機(jī)作業(yè)方式包括固定吊尾起吊和全回轉(zhuǎn)起吊兩種方式。由于固定尾部起重機(jī)在正負(fù)15°范圍工作，因此起重臂每旋轉(zhuǎn)15°計(jì)算一次，分析3個(gè)角度下起重機(jī)的強(qiáng)度。全回轉(zhuǎn)工況則每旋轉(zhuǎn)45°計(jì)算一次，分析每個(gè)角度下起重機(jī)的強(qiáng)度。依據(jù)設(shè)備資料可得到不同工況下起重機(jī)的支反力，見表2。

表2 不同工況下的起重機(jī)支反力

邊界條件如下：

(1)浮態(tài)吊重工況&調(diào)遣工況有限元模型在邊界FR75施加鉸支約束(、、位移約束,、、轉(zhuǎn)動(dòng)約束釋放)。

(2)坐底作業(yè)工況有限元模型在邊界FR75施加鉸支約束(、、位移約束,、、轉(zhuǎn)動(dòng)約束釋放)，在船底板上施加向約束。

依據(jù)上述有限元模型進(jìn)行計(jì)算，不同工況下起重船船體及主起重機(jī)基座的等效應(yīng)力云圖見圖6，其對(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力值。

圖6 不同工況下等效應(yīng)力云圖(單位：MPa)

依據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》(2007)許用應(yīng)力的要求，起重船在作業(yè)工況和調(diào)遣工況時(shí)的安全系數(shù)分別為1.43和1.33，即在作業(yè)工況和調(diào)遣工況下其對(duì)應(yīng)的鋼材許用應(yīng)力為248 MPa和267 MPa。在各個(gè)工況下船體和起重機(jī)基座對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力均小于最大許用應(yīng)力，因此，按照此種方式設(shè)計(jì)本船的起重機(jī)基座滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

(1)建議將起重機(jī)布置在船尾。該布置能夠增加甲板使用面積，同時(shí)有利于全船的重量分布。

(2)建議采用圓筒型起重機(jī)基座。該種形式的基座結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，能夠降低后期的施工難度。

(3)通過有限元分析，驗(yàn)證了采用圓柱型起重機(jī)基座設(shè)計(jì)形式的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和起重機(jī)基座強(qiáng)度滿足船級(jí)社要求。