120 t起重船扒杆结构强度及稳定性分析

王贵彪,王 伟，谢永和

(1．浙江省海洋水产研究所，浙江 舟山 316201；2．浙江海洋学院，浙江 舟山 316000 )

120 t起重船扒杆结构强度及稳定性分析

王贵彪1,王 伟2，谢永和2

(1．浙江省海洋水产研究所，浙江 舟山 316201；2．浙江海洋学院，浙江 舟山 316000 )

根据《船舶与海上设施起重设备规范》，采用MSC.Patran建立某起重船扒杆有限元模型，在考虑质量载荷、风载等载荷和船舶横纵倾的情况下，对其结构在典型工况的强度与稳定性进行计算分析，并有针对性地提出部分加固改进措施和注意事项。

起重船；扒杆；有限元；强度；稳定性

随着国家内河港口及航道的发展建设，内河航区的起重船作为港口船舶装卸的重要工具，在港口建设、造船工程、桥梁建筑、水下救捞等过程中均具有广泛的用途[1]。同时，起重船由于其自身工作特点，总体受力大，局部受力集中且分布不均，吊点较高，因而对臂架及船体结构要求特别高[2]。目前，针对几百吨甚至上千吨的大型起重船及其臂架的设计分析已较为常见[3-5]，而少见针对内河小型起重船的研究。近年来，随着内河港口航道以及航运的发展，内河小型起重船以其低造价、小巧灵活等特点在工程建设中发挥着越来越大的作用。为此，依据《船舶及海上设施起重设备规范》[6](2007)(以下简称《规范》)及《船舶及海上设施法定检验规则》之《起重设备法定检验技术规则》(1999)，对航区为内河B级的120 t起重船的扒杆结构强度及其稳定性利用MSC.Patran/Nastran进行有限元分析，以期为今后此类内河小型起重船的臂架设计与优化提供参考依据。

1 起重船及扒杆概况

该120 t起重船为自航式起重船，主钩起吊能力为1 200 kN，副钩起吊能力为200 kN，在内河B级航区进行起吊作业，布置见图1，主尺度见表1。

图1 起重船打捞布置

表1 120 t起重船主尺度 m

扒杆类似A字型，有效长度为14 m，两杆之间的撑柱分别离顶端为5 m和10 m，见图2，其材料为Q345B。扒杆工作时和水平面成60°固定夹角，而在起重船航行或者过桥时，扒杆放置在甲板上，由甲板上的撑柱进行支撑，此时扒杆与水平面成15°夹角。

图2 打捞扒杆结构简图

2 有限元模型及加载

2.1 有限元结构模拟

应用MSC.Patran软件建立模型，其X轴沿船体纵向指向船艏，Y轴沿船宽方向指向左舷侧，Z轴沿船体垂向方向。采用板单元及梁单元，其中扒杆的底部及顶部结构采用板单元模拟，而扒杆中间框架则采用梁单元模拟，两者采用MPC单元进行过渡，以确保载荷能够传递，见图3～5。

2.2 计算工况

根据《规范》选取工况，见表2。

根据《规范》，取起重机工作风速取20 m/s;在放置状态下(即本船过桥状态)，风速55 m/s。风向取组合载荷后的最不利方向。扒杆自重则以惯性力的形式施加在扒杆上。

图3 扒杆有限元模型

图4 扒杆底部模型

图5 有限元顶部模型

2.3 边界条件

边界条件设置见表3。

表2 计算工况

表3 边界条件

注：×表示约束，其中甲板支柱交点处约束相对于局部坐标。

3 计算结果及分析

3.1 强度校核

3.1.1 许用应力

许用应力按式(1)计算。

(1)

式中：σs=345 MPa (材质为Q345B强度钢)，屈强比=0.51～0.70(σb=490-675)，弹性模量E为206 GPa，系数β取1.0，安全系数n及许用应力见表4。

表4 安全系数n及许用应力

3.1.2 强度校核

强度校核见表5。

表5 扒杆最大应力汇总

由表5可见，扒杆有风状态时构件的应力大于无风状态。而在有风时，横向受风时构件应力大于纵向受风。工况3也即扒杆工作状态，起重船左倾5°、艏倾2°，同时横向受风时为最危险工况，此时扒杆构件的应力最大。

图6 工况3应力等效云图(单位：MPa)

图7 工况3扒杆最大梁组合应力图(单位：MPa)

图8 工况3扒杆最小梁组合应力图(单位：MPa)

图9 工况3扒杆变形云图(单位：mm)

由图6～8可见，扒杆最大应力出现在扒杆主杆与底部连接区域以及与顶部连接区，其主要原因为顶部与底部有边界条件约束而导致应力集中。而在主杆区域，应力最大区域则主要集中于横向支撑杆与主杆的连接处。从图9可以发现：扒杆顶部是整个起重载荷的直接受力点，故在该区域出现了变形最大区域，并且随着高度的降低变形逐步减少，变形值最大达到了26 mm。因此，应在扒杆主杆的底部和顶部以及横向支撑杆与主杆连接处设置肘板，以保证其结构的强度。

3.2 稳定性校核

3.2.1 校核准则

《规范》3.2.17.2中指出，同时承受压力和弯曲的构件，应按式(2)进行稳定性校核。

(2)

式中：σm——构件承受的弯曲应力，MPa；

σc——构件承受的压应力，MPa；

σs——钢材屈服强度，MPa；

σcr——构件的临界的压应力，MPa；根据构件的长细比和截面形状决定；

n——安全系数。

根据《规范》附录I，扒杆罗伯逊常数α=3.5，临界应力σcr为174 MPa。

3.2.2 稳定性校核

各工况下起重机整体稳定性校核见表6。

表6 起重机整体稳定性校核

由表6可见，扒杆的稳定性满足规范要求。工况6也即试验工况的截面轴向应力最大，而工况3的截面弯曲应力最大。

图10 工况3 扒杆梁单元轴向应力云图

图11 工况3 扒杆梁单元弯曲应力云图

以图10、11所示工况3为例：扒杆主杆轴向应力最大的区域出现在主杆与扒杆底部连接处；而最大弯曲应力出现在主杆与扒杆顶部连接处，同时此处扒杆变形为最大。

4 结论

1)各工况下扒杆所有构件的最大应力均小于许用应力，结构强度及其稳定性满足规范要求。虽然部分区域仍存在高应力情况，但总体仍有进行结构优化的潜力。

2)与大型起重船臂架最大应力出现在放置且横向受风的工况不同[7]，该船扒杆工作状态且横向受风为最危险工况。但是出现最大应力的区域与大型起重船臂架较为一致，也是出现在扒杆主杆与顶部、底部结构连接处以及横向支撑杆与主杆的连接处。因此，设计时应对这些部位加以重视，加设肘板以保证其结构强度。

[1] 杨 辉.700 t起重船船体及千斤柱有限元强度分析[J].江苏船舶,2009,26(6):15-17.

[2] 王庆丰.1 000 t起重船有限元强度分析[J].造船技术,2009(5):14-18.

[3] 张润宏.600 t 起重船结构强度有限元分析[J].广东造船,2010(2):37-39.

[4] 张少雄,任思杨.起重船有限元直接计算实例[J].船海工程,2009,38(4):5-8.

[5] 周国宝,米旭峰,渠延模.1 000 t起重船扒杆结构强度有限元分析[J].科学技术与工程,2009,17(9):5252-5255.

[6] 中国船级社.船舶与海上设施起重设备规范[S].北京:人民交通出版社,2007.

[7] 陈南华,李艳贞.1 500 t起重船A形吊臂结构强度有限元分析[J].船海工程,2013,12(6):29-32.

Analysis of Strength and Stability of the Gin Pole of 120 t Crane Ship

WANG Gui-biao1, WANG-Wei2, XIE Yong-he2

(1 Zhejiang Marine Fishes Research Institute, Zhoushan Zhejiang 316201, China;2 School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316022, China)

Based on the Rules for Lifting Appliances of Ships and Offshore Installations (2007), the FE model of gin pole of the 120 t crane ship is set up by MSC.Patran. Considering the mass loading, wind load and trim of ship, the structural strength and stability was analyzed and assessed in typical working conditions. Some improvement measures and matters need attention are proposed.

crane ship; gin pole; finite element; strength; stability

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.008

2014-08-21

王贵彪(1986-)，男，硕士生，助理工程师

U661.4

A

1671-7953(2015)01-0033-05

修回日期：2014-09-26

研究方向:渔船装备与技术

E-mail:wangjidelei@163.com