90 m起重船上层建筑甲板结构强度的仿真与分析

钱俊林，项国飞，王庆丰，徐 骁

(1.如皋市交通运输综合执法大队，江苏 如皋 226500；2.江苏大洋海洋装备有限公司，江苏 南京 210032；3.江苏科技大学，江苏 镇江 212000)

0 引言

起重船按照起重能力、工作海域及船体结构可分为半潜式起重船和浮式起重船2种。起重船在海上作业、桥梁建筑、海上风机安装等各类海洋工程中都有广泛的应用。随着船上配备的吊机等设备的不断更新，使得起重船拥有更大的吊装能力及自航能力，可以适应绝大多数的海况条件并完成作业。现如今各类海上风电装备的安装与维护作业对进行相关作业起重船的需求量随之增加。起重船的结构强度是衡量起重船安全性的主要指标之一，但大多相关文献研究的是起重船甲板在单一载荷作用下的结构强度。本文对某90 m起重船的上层建筑结构在直升机载荷、行车载荷及两者联合载荷的作用下使用有限元分析方法进行结构强度计算并进行校核，针对相关计算校核中经常忽略的载荷的联合作用的问题提出了一种研究方法。

1 起重船的结构特点

90 m起重船的设计参数为：垂线间长90.00 m，型宽27.00 m，型深6.00 m，设计吃水4.35 m。上层建筑甲板位于船艉一侧。上层建筑甲板设计有直升机甲板，可以满足起飞重量49 kN、螺旋桨直径14 m的EC155B1型直升机的作业要求，并且在直升机停靠的同时该甲板依然可以进行行车作业(行车自重160 kN，吊升160 kN，总重320 kN)。这对上层建筑甲板的设计强度提出了较高的要求。本文主要利用PATRAN软件对上层建筑甲板在直升机和行车载荷联合作用下的结构强度进行有限元分析，对甲板的结构强度进行校核，验证设计的可靠性。

2 有限元结构模拟

2.1 有限元方法基本步骤

(1)将研究对象划分为由足够多数量单元体组成的整体。

(2)根据不同计算区域可以将目标函数进行划分，得到域函数。

(3)通过上一步的表达，可以将有限元分析向数值分析方法进行转化，从而解决相关问题。

(4)求解域的计算近似值得到的差值函数为近似解。当满足收敛的条件后，得到的解可以作为精确解。

2.2 结构模型

模型坐标系采用右手笛卡尔坐标系：

X

轴沿船体纵向指向船首，

Y

轴沿船宽方向指向左舷侧，

Z

轴从船体基线垂直甲板向上。跳板面板、封板和主要纵向横向隔板采用四边形的壳单元进行建模，纵向骨材采用梁单元进行建模。单元体的尺寸控制在100 mm×100 mm。材料采用线弹性材料本构模型。上层建筑结构有限元模型见图1。

图1 上层建筑结构有限元模型示意图

2.3 边界条件

模拟上层建筑甲板在直升机和行车2种载荷联合作用时的情况。进行模拟计算时，在模型底部(上层建筑与甲板连接处)施加载荷，用以控制上层建筑的位移，模拟船体结构对上层建筑的支撑作用。模型约束条件见图2。

图2 模型约束示意图

2.4 载荷与工况

根据中国船级社《钢质海船入级规范》(2018)第2篇船体部分第1章第5节直接计算及第2章第18节直升机甲板的有关要求，对目标船上层建筑甲板在直升机和行车载荷联合作用下的结构强度进行有限元计算。

2.4.1 载荷情况

(1)结构自重

模型的结构自重采用重力加速度进行模拟。

(2)行车重量

行车重量为160 kN，考虑1.2倍的动载荷系数，分别作用在上层建筑中间位置并且在两侧同时进行加载。行车载荷加载位置见图3。

图3 行车载荷加载示意图

(3)直升机载荷

按照规范要求：直升机载荷为甲板均布载荷2 kPa。直升机均布载荷示意图见图4。直升机降落载荷为7 kPa，取两轮同时落地的情况，两轮间距取1.5 m，作用在中间位置；直升机系留载荷为5 kPa，取两轮同时落地的情况，水平和垂向的惯性载荷取0.5倍自重。系留载荷示意图见图5。

图4 直升机均布载荷示意图

图5 直升机系留载荷示意图

(4)环境载荷

按规范要求，环境载荷取0.5 kPa。

2.4.2 工况组合

按照规范要求，对甲板均布载荷、直升机着陆和系留3种工况条件进行整合。工况组合见表1。

表1 工况组合表 单位：kPa

3 模拟计算

3.1 屈服强度计算

将以上3种工况条件进行模拟计算，分别计算上层建筑结构整体的形变量与应力，随后在此基础上对上层建筑甲板应力做更有针对性的应力分析，同时对上层建筑甲板的主要构件进行计算。结果发现：甲板结构中心位置形变量最为明显，LC1工况条件下最大形变量为4.58 mm，LC2工况条件下最大形变量为4.92 mm，LC3工况条件下最大形变量为6.40 mm，并且3种工况条件都呈现形变量从甲板边缘向中心逐渐变大的趋势。

在3种组合工况的条件下，每一种工况条件下发生最大应力的位置都是位于行车载荷施加的位置，但是3种工况条件下产生的最大应力值各不相同：LC1工况条件的最大应力值为29.3 MPa，LC2工况条件的最大应力值为28.0 MPa，LC3工况条件的最大应力值为28.7 MPa。对上层建筑整体的应力进行分析后有必要对上甲板应力进行单独研究，对其在3种组合载荷工况条件下应力进行分析。

对上甲板区域整体应力进行分析可以得到：3种组合工况条件下应力极值发生的位置基本相同，但是各个工况条件的应力最大数值互不相同，数值与上文结构总体应力分析中的数值结果相同，遂对甲板主要构件进行应力分析。

在3种组合工况条件下，其主要构件应力各不相同，在LC3组合工况条件下，上甲板主要构件的应力最大。将以上上层建筑结构的屈服模拟计算数据进行整理，根据《钢质海船入级规范》(2018)要求，对计算结果进行校核，其结果见表2。

表2 结构屈服强度校核

综上，该90 m起重船上层建筑结构及其上层建筑结构甲板的屈服强度均满足规范要求。

3.2 屈曲强度计算

为了进一步验证船体结构强度，需要对舷侧区域进行屈曲强度的计算分析。舷侧结构屈曲计算因子云图见图6。

由图6中可知：最小计算屈曲因子为4.94，规范要求计算屈曲因子应大于许用值1.0，因此该起重船的舷侧区域屈曲强度满足衡准要求。

图6 舷侧结构屈曲计算因子云图

4 结论

通过对90 m起重船上层建筑结构在直升机载荷、行车载荷及两者联合载荷的作用下进行结构强度计算，对甲板的屈服强度和舷侧结构的屈曲强度进行校核，得到的结论如下：

(1)该船的上层建筑结构能满足规范所描述的直升机作业场景下的结构强度要求。

(2)在分析起重船考虑直升机与行车联合载荷共同作用下的结构强度时，使用有限元分析的方法可以更为直观地得到计算结果。并且在此基础上可以对结构整体及主要构件分别进行强度分析，使结果的可靠性进一步提高。

(3)有限元模拟计算不仅可以校核屈服强度，还可以校核各个结构的屈曲强度，从而在保证精确性的基础上减少校核步骤，提高工作效率。