SOC(特种)型海事起重机桁架式臂架强度与稳定性分析

赵君龙，覃刚，王强

SOC(特种)型海事起重机桁架式臂架强度与稳定性分析

赵君龙，覃刚，王强

根据ABS船级社《Guide for Certification of Lifting Appliances》，对SOC海事起重机桁架式臂架结构的轴向应力、弯曲应力进行计算。对桁架结构的局部稳定性和整体稳定性进行校核。阐述了UC值校核的基本原理和一般流程。

SOC起重机；结构分析；UC值；有限元法

海上吊机是海上石油勘探和开采，远洋货物运输和转移，海上事故救援，平台安装拆卸和转移等作业活动的重要辅助设备。

对起重机的结构性能、稳定性进行校核和评估，不同国家，不同船级社各有准则和规范[1-4]。被广泛采用的规范主要有API的《Specification for offshore Pedestal Mounted Cranes》(API .2C.7th)、ABS的《Guide for Certification of Lifting Appliances》、CCS的《Rules for Lifting Appliances of Ships and Offshore Installations》、BV船级社的《Rules for the Certification of Lifting Appliances Onboard Ships and Offshore Units》、LR船级社的《Code for Lifting Appliances in a Marine Environment》、F.E.M标准《Rules for the Design of Hoisting Appliances》、British Standard《Code for The Design of Cranes》、DNV《Lifting Appliances》，以及GB3811等。拟参照ABS规范，对某300 t SOC型海事起重机的桁架式臂架结构进行稳定性校核。

1 300 t起重机概况

该300 t吊机为SOC(特种)型海事起重机。由基柱组件、塔身组件、臂架组件、主起升机构、变幅机构、回转机构、稳索绞车组件、液压系统及电气系统等组成，具有主起升、副起升、变幅、回转、稳索等操作能力。主钩起吊能力300 t，副钩起吊能力10 t。最大工作半径55.5 m，最小工作半径9 m。臂架结构采用桁架式结构设计。主要由板梁结构组成，能够实现360°范围的回转。典型A字架式起重机示意见图1。300 t起重机臂架参数见表1。桁架结构几何模型见图2。

臂架总长/mRmax/mRmin/m起升高度/m最大起重量/t5855．5970300

2 计算工况

桁架式起重机的主钩起吊工况具有船内、船外作业模式，作业浪高分为2 m和0.4 m。作业工况主要包含动态船内2 m波高正吹正倾，动态船内2 m波高侧吹侧倾，及动态船外0.4 m正吹正倾，动态船外0.4 m侧吹侧倾等工况。船内正吹正倾时，无侧载，但是船外正吹正倾时，考虑到起吊船和目标船的相对运动，在总体计算时，臂架头部是承受侧载的。计算工况见表2。

表2 计算工况明细

3 计算结果及分析

3.1 强度校核

不同规范的应力校核的计算方法和准则不尽相同，但基本原理相同[5-6]。主要对结构的强度、局部稳定性以及整体稳定性进行校核。以受压杆件的轴向许用应力、弯曲应力及组合应力校核为例，不同规范下的校核准则对比见表3。

表3 不同设计规范校核准则对比

1)根据ABS规范，桁架结构的综合许用应力不超过其屈服值的0.6，综合应力云图见图3。

300 t桁架式起重机臂架结构的计算结果统计见表4。

MPa

由表4可见，在同样海况下，中间幅度(15 m变幅)，桁架结构的综合应力值最大。原因是与变幅9 m相比，虽然起重量相同，但是重物产生的力臂增加，导致变幅绳索上的张力增加。两者合力导致的轴向应力和弯曲应力也随之增加。55 m变幅下，重物的力臂增加，导致弯曲应力增加。但是起重量与9 m变幅及15 m变幅相比，有了大幅度的下降。同时，臂架的倾角减小，导致沿臂架方向上的合力减小，轴向压应力减小。同样变幅条件下，危险工况主要集中在船内工况，与船外工况比，船内工况的变幅绳张力增加，导致轴向应力和弯曲应力均增加。因此需要对中间幅度下桁架结构的稳定性进行重点的校核。

3.2 局部稳定性校核

对于桁架结构的稳定性校核主要通过2个指标来衡量：①轴向应力低于轴向许用应力；②组合应力校核(unity check,UC)的UC值小于1。

由于篇幅有限，主要对15 m变幅下的桁架结构进行稳定性校核和分析，局部稳定性UC值校核见表5。值得注意的是，在静态工况时，采用了0.75倍的许用应力修正系数。工况5应力分析见图4。

表5 局部稳定性UC值校核

3.3 桁架结构的整体稳定性校核

应校核在臂架平面和垂直平面的稳定性，与局部稳定性计算方法相同，都需要进行轴向许用应力校核及弯曲应力校核。与局部稳定性计算相比，在长细比的计算方式上，整体稳定性校核的长细比等于臂架的有效长度除以臂架的有效回转半径，计算模型见图5。

关于臂架有效长度系数的选取，参照British Standard《BS2375_1983—Rules for design of cranes》中的相关规定。

le=kL

(1)

式中：le为臂架有效长度，mm；L为臂架实际长度，mm；k为长度系数，根据两种情况确定。

臂架变幅平面内，认为臂架两端铰支，k=1，在臂架平面内，臂架可作为根部固定，头部的移动受到起升钢丝绳和变幅钢丝绳的部分限制，臂架尺寸代号见图6。系数k为

(2)

臂架有效回转半径re为

(3)

式中：A为构件截面积，mm2；Ie为有效惯性矩，mm4；I0为构件截面的最大惯性矩，mm4；m根据I1/I0插值计算得来。

整体稳定性校核见表6。

4 结论

表6 整体稳定性校核表

1)最小变幅情况下，桁架结构轴向压应力很大，弯曲应力较小；最大变幅情况下，力臂长，起重吨位受限，导致弯曲应力大，轴向压缩应力偏小；在中间幅度下，起重量与最小幅度相同，但是弯曲应力增加显著，因此需要重点进行关注。

2)与传统传统有限元分析(ANSYS等)只能提取结构的轴向应力、综合应力不同，在UC校核中，各成分的应力不是简单的叠加，而是根据应力的种类、作用匹配不同的应力系数。同时，传统有限元的稳定性分析得出的特征值无法在船级社规范中找到具体明确的规范支撑，而UC值校核，很好地契合了船级社规范的规定和要求。

[1] British Standard BS2375.1983(Code for the design of cranes)[S].London South Bank University, 1980.

[2] 美国船级社.Guide for certification of lifting appliances[S]. Housiton.ABS, 2014.

[3] 中国船级社.Rules for lifting appliances of ships and offshore installations[S].北京.CCS,2007.

[4] BV船级社.Rules for the certification of lifting appliances onboard ships and offshore units[S].BV.

[5] 王贵彪，王伟，谢永和.120 t起重船扒杆结构强度及稳定性分析[J].船海工程，2015,44(1):33-36.

[6] 陈南华，李艳珍.150 t起重船A型吊臂结构有限元分析[J].船海工程，2013,12(6):29-32.

(武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084)

Strength and Buckling Analysis of the Lattice Boom for the SOC Offshore Crane

ZHAO Jun-long, QIN Gang, WANG Qiang

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

The axial stress and bending stress of a SOC offshore crane’s lattice boom was calculated according to the Guide for Certification of Lifting Appliances of ABS. The local stability of members of the lattice boom and global stability of the whole structure were also assessed. The general principle and procedures of assessment by UC values were introduced also.

SOC crane; structural analysis; UC value; FEM

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.030

2016-07-14

赵君龙(1985—)，男，硕士，工程师研究方向:数字化仿真CAE

U664.4

A

1671-7953(2017)01-0122-04

修回日期：2016-08-23