160t拼装式起重船结构与操作规程分析

孙亚军

(南通欣海船舶设计院有限公司，江苏南通226001)

160t拼装式起重船结构与操作规程分析

孙亚军

(南通欣海船舶设计院有限公司，江苏南通226001)

利用有限元软件对160 t拼装式起重船的结构强度进行计算，以验证起重船船体和浮箱在船底板架、舷侧板架、甲板板架、横舱壁等主要构件强度上是否满足相关规范的要求。同时介绍拼装式起重船具体的操作过程，为后续系统研究奠定基础。

拼装式起重船;结构强度;浮箱;有限元

0 引言

浮箱式浮船坞浮体中的单体箱形结构通常称为浮箱。传统海上多用途浮箱，多采用骨架式全焊接钢质结构的浮箱模块，浮箱模块可分为方形模块、首尾模块、坡道模块、推进模块和供电模块等。浮箱模块之间通过固定在其两侧和两端的刚性接头和铰接接头拼接，接头位置的内侧壁设有局部加强框架［1－2］。

1 浮箱与船型介绍

1.1 浮箱

160 t拼装式起重船船体两侧各设置7个浮箱，其中0#～13#之间3个浮箱构成尾浮箱，29#～65#之间设置首浮箱，它由4个大小不一的小浮箱组成。浮箱的具体尺寸见表1。

表1 浮箱尺寸Tab.1 Size of floating box

160 t拼装式起重船船体与浮箱的连接机构形式见图1。

图1 160 t拼装式起重船船体与浮箱的舱室布置Fig.1 Layout of hull and floating box of 160 t assembled floating crane

该浮箱机构具有如下几个特点：

1)受力角度。由于浮箱浮力产生的浮心位置偏整个起重船的连接装置中心线外，起重船在起吊重物过程中，连接机构受横向和纵向弯矩易产生一定程度的弯曲变形。

2)制造工艺流程。采用普通钢材料，内部采用焊接结构，其中包括横舱壁、甲板和舷侧，另外还有强横梁、甲板纵桁、横舱壁纵桁、舱壁扶强材等普通构件。浮箱与船体之间采用铆接形式。铆接位置分别设置在3#、11#、35#和59#处。

3)浮箱拼接设置。160 t起重船的两侧各设置有首浮箱和尾浮箱。首浮箱长19.8 m，宽5 m，高1.9 m，首浮箱由3道水密横舱壁分割成4个浮箱，4个浮箱的宽度分别为3.3 m，6.6 m，3.3 m，尾浮箱长7.7 m，宽4 m，高1.9 m，尾浮箱由2道水密横舱壁分割成3个浮箱，3个浮箱的宽度分割为1.65 m，4.4 m，1.65 m。由于浮箱和船体在固定位置采用铆钉进行连接，可使160 t起重船的船体和浮箱拼装后的浮态基本一致［3］。

4)在调遣航行过程中，160 t起重船体的浮性、稳性以及适航性等技术性能满足的前提下，可对两侧的浮箱进行整体拆除。拼装后起重船的浮箱上方可堆放物品，提高整个甲板利用率。

1.2 船型

160 t起重船为单底、单甲板、横骨架式全焊接钢质结构，采用双机、双桨、双舵、中驾驶液压操舵形式。本船为箱形平底型船型，其尺寸见表2。

表2 浮箱尺寸Tab.2 Size of floating box

2 船体结构强度分析

2.1 有限元模型

按照《船舶与海上设施起重规范》 (2007)进行建模与边界处理，利用有限元软件MSC对160 t拼装式起重船船体结构强度进行有限元校核计算［4－5］。取直角坐标系，坐标原点位于船体中心线#0处，X轴沿船长指向船首为正，Y轴沿船宽指向左舷为正，Z轴沿型深向上为正。有限元模型单位长度为m，力为N。船体有限元模型共有27 976个节点，35 798个单元;浮箱有限元模型共有9 938个节点，10 200个板单元。见图2～图5。

图2 整体有限元模型Fig.2 FEM of overall

图3 船体有限元模型Fig.3 FEM of hull

图4 浮箱有限元模型Fig.4 FEM of floating box

图5 横纵舱壁有限元模型Fig.5 FEM of fransverse and longitudinal bulkhead

2.2 边界处理与载荷加载

边界条件的假定应以不影响模型中心所考虑的计算结果为原则。一般可考虑设置自由支持和固定支持，参考表3边界约束。

表3 拼装式起重船整体的边界约束Tab.3 Boundary constraint

载荷加载可根据提供的《160t起重机构扒杆强度计算工况及外力》，本船的计算荷载工况如下：

工况1：起重机工作于无风状态，起重机臂杆放到倾角为12°位置，空载过桥;

工况2：起重机工作于有风状态 (扒杆角度为 70°);

工况3：起重机在放置状态 (扒杆角度为45°)，垂直于甲板的加速度为±1.0 g;横向平行于甲板的加速度为±0.5 g;静横倾30°;风速55 m/s，作用于横向;

工况4：起重机进行试验时的试验载荷 (扒杆角度为 70°)。

加载位置：上层建筑顶部、扒杆底部与甲板接触位置 (见图6)。

图6 船体整体载荷加载Fig.6 Loading of the crane

2.3 船体强度有限元计算结果

船体强度有限元计算结果见图7～图14。

图7 船体应力云图Fig.7 The hull stress picture of case 1

图8 浮箱应力云图Fig.8 The pontoon stress picture of case 1

图9 船体应力云图Fig.9 The hull stress picture of case 2

图10 浮箱应力云图Fig.10 The pontoon stress picture of case 2

图11 船体应力云图Fig.11 The hull stress picture of case 1

图12 浮箱应力云图Fig.12 The pontoon stress picture of case 3

图13 船体应力云图Fig.13 The hull stress pictare of case 4

图14 浮箱应力云图Fig.14 The pontoon stress picture of case 4

表4 各工况下的应力汇总 (MPa)Tab.4 The summary of the stress on the condition(MPa)

2.4 应力汇总

通过MSC.Nastran软件计算，得出4个工况下船体和浮箱每个构件下的应力值 (见表4)。

通过以上计算可得出以下结论：

1)船体在不同工况下的有限元强度计算都满足规范要求。

2)由表4可见，在起重机垂直于甲板加速度±1.0 g，前后方向平行于甲板加速度±0.5 g，横倾角30°和风速55 m/s，作用于前后方向的工况3时，甲板所受的应力最大，最大值为140 MPa;起重机臂杆放到倾角为12°位置，空载过桥时，上层建筑上方所受的应力最大，最大值为131 MPa。应力的大小主要跟所受载荷位置有关。

3)在4种工况下，船底部位的应力值都在60 MPa左右，舷侧部位的应力值都在40 MPa左右，主要跟船体本身吃水有关。不同工况下的船体吃水没有因为载荷的变化发生大幅的影响，只是略微对船体局部部位产生作用。

4)在4种工况下，纵舱壁的应力值变化较大，横舱壁的应力值变化不大，主要由于船体在受到外载荷作用，纵向强度的影响比横向强度要大，从而导致纵舱壁的应力影响明显，而横舱壁的作用略微。

5)浮箱的设置有效地改变船体本身的浮性，提高起重船的稳性。同时也提高船体结构的强度。

3 拼装式起重船操作规程

在设计与研究过程中，设置浮箱后的拼装式起重船在运行工作时，由于操作不规范也会影响到船体强度，现对拼装式起重船操作规程作如下归纳：

1)拼装式起重机司机与信号员应有统一的信号。操作人员应从专用梯上、下操作室，合闸前应先把控制器转到零位。操作室内应垫木板或胶皮绝缘板。

2)拼装式起重机工作前，应做好下列准备工作：

①检查钢结构部件连接是否牢固;

②检查卷场机各转动部分润滑是否良好，刹车装置是否灵敏可靠;

③检查电器设备接线是否正确，绝缘是否良好;

④检查并试验各限位开关是否灵敏，照明设备是否齐全良好;

⑤检查脚手板、栏杆、扶梯是否合乎安全要求，轨钳 (或锚固螺丝)是否紧固;

⑥三角架2个后支腿销子及卡板是否移动;

⑦机房及操作室内消防器材是否齐全有效。

3)司机操作室必须设在视野良好的位置。

4)起重机吊重、变幅、回转所用的卷扬机，必须满足安全技术要求，走行用电机必须符合的有关安全技术规定，起重机所用的钢丝绳必须满足有关安全技术要求。

5)开车前检查轨道上、地面和运行范围内有无人员或障碍物，并鸣铃示意。大车走行须有专人拉电缆，小车来回悬挂电缆须绝缘良好，滑动自如。起吊时，应先进行空运转，然后试吊，离地100～150 mm，发现重物捆缚不正确时，应重新进行捆缚。

4 结语

通过对不同工况的有限元直接强度分析，所得结论如下：

1)船体内部的各个结构和浮箱构件的强度均满足规范要求。

2)工况2(垂直于甲板的加速度为±1.0 g;横向平行于甲板的加速度为±0.5 g;静横倾30°;风速55 m/s)是比较危险的起吊工况，在设计和实际装载和起吊过程中应加以注意。

3)本文对拼装式起重船操作规程作出具体归纳，可为后续同类起重船的强度与操作分析奠定基础。

［1］王学亮，董艳秋．大型起重船在海浪中的运动响应研究［D］．天津：天津大学，2003．

［2］芮光六，董艳秋．起重船吊物系统的摆动分析及其控制研究［D］．天津：天津大学，2004．

［3］夏益美，张明霞，林焰．全回转起重作业船稳性研究［D］．大连：大连理工大学，2006．

［4］郑飞鹏，李治彬．规则波浪中回转式起重船的稳性研究［D］．大连：大连海事大学，2007．

［5］盛振邦，杨尚荣，陈雪深．船舶静力学［M］．上海：上海交通大学出版社，2000．

Research on structural strength and the specific operation of 160t assembled floating crane

SUN Ya-jun
(Nantong Xinhai Marine Design Institute Co．，Ltd．，Nantong 226001，China)

Using finite element software，apply direct strength calucation for 160t assembled floating crane to verify the hull and floating box on the strength of the major component in the bottom frame，the side frame，the deck frame，transverse bulkheads and other major structure of the hull and meet the specification requirements．And introduce the specific operation of floating crane．Meanwhile lay the foundation for research and analysis system．

assembled floating crane;structural strength;floating box;finite element

U674．35

A

1672－7649(2013)05－0090－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.05.021

2012－05－08;

2012－12－14

孙亚军(1966－)，男，工程师，主要从事船舶设计。