起重船旋转吊机的布置及支撑结构设计

马亮　蒋晟梧　李明明

摘    要：对于水上起吊作业工程船，其工作甲板上会设置旋转吊机作为主要工作设备，对其工作环境有严格要求，而且需要做足够强度的支撑加强。本文叙述了通过有限元建模进行吊机支撑结构的直接计算，校核吊机的船体支撑结构是否满足CCS《钢质海船入级规范》及其修改通报、CCS《船舶与海上起重设备规范》及CCS《油船结构直接计算分析指南》的强度和屈曲要求，为相关技术人员在结构设计中提供参考。

关键词：旋转吊机;筒体支撑;有限元

中图分类号：U663.7                                文献标识码：A

Abstract： For the lifting engineering ship， a rotary crane is arranged on the main deck as the main work equipment， which needs strict work environment such as wind speed and to be supported by steel structure in the hull of enough strength. This paper describes the direct calculation by using FEM to check if the crane support structure in the hull meets the strength and buckling requirements of CCS Rules for the classification of Seagoing Steel Ships， CCS Specification for Ships and Offshore Lifting Equipment and CCS Guide for Direct Calculation and Analysis of Tanker Structure， which will provide reference for the related technical personnel in the structural design.

Key words：Rotary crane; Cylinder support structure; FEM

1     前言

在客船、工程船的甲板上往往会设置旋转吊机。客船上的旋转吊机主要是用来起吊救生设备，它通常位于尾部的左右两舷，紧邻救生艇，方便救生艇的起吊。该吊机只是用来起吊救生艇，往往是由设备厂家和救生艇一起提供的，故其甲板下加强往往是和救生艇设备一起按甲板设备进行整体加强。

对于专门的水上起吊作业工程船，旋转吊机是其主要工作设备，对起吊能力要求较高，对工作环境也有严格的要求，尤其是风速、横摇与纵倾角度。根据布置不同，吊机可位于船首、船尾或船中。旋转吊机通常设置在横舱壁、纵舱壁或纵横舱壁相交处，若无舱壁，则需在甲板下设置足够强度的支撑结构。本文以某航标工作船为例作详细介绍。

2     旋转吊机的布置及支撑方式

2.1    位于船首的旋转吊机支撑

（1）吊机的布置

某航标船（甲）首部主甲板为作业区，在首部中纵剖处设1 t电动液压变幅旋转吊机，吊机所在甲板下布置有横舱壁。

（2）吊机的支撑结构

旋转吊机筒体焊接在甲板上，并在筒体底部均布12个肘板;吊机所在甲板下作筒体支撑，其直径、厚度与吊机筒体相同;筒体在舱壁处断开，筒体内横舱壁开一人孔，筒体与舱壁焊接，确保水密;船底设一直径与筒体相同的环形T型梁，筒体焊接在环形T型梁的面板上。

2.2  位于船尾的旋转吊机支撑

（1）吊机的布置

某航标船（乙）尾甲板为作业区，在尾部中纵剖处设置3 t全回转液压起吊机，其所在甲板下设有横舱壁。

（2）吊机的支撑结构

采用筒体支撑加强，筒体的直径、厚度与吊机筒體相同;甲板开孔，加强筒体穿过甲板直达船底;船底处设与筒体直径相同的环形T型梁加强，筒体与T型梁面板焊接，加强筒体与横舱壁进行双面焊接，使其水密;加强筒体上部与吊机筒体通过法兰连接。

2.3   位于船中部的旋转吊机支撑

（1）吊机的布置

某航标船（丙）中后部为工作区，在中部中纵剖处设置3 t全回转液压起吊机，主要参数为：安全工作负载3 t、回转半径7 m、工作允倾横倾角度≤10°、纵倾≤4°，最大风速（工作时）≤20 m/s。

（2）吊机的支撑结构

采用筒体支撑，筒体直径、厚度与吊机筒体相同;甲板开孔，加强筒体穿过甲板直达船底与船底板焊接;加强筒体上部与吊机筒体通过法兰连接。

3    旋转吊机的船体支撑结构计算

以上述航标船（丙）布置在船中的3 t旋转吊为例，说明如何进行船体支撑结构计算。

参照相关结构图纸，利用有限元软件MSC PATRAN/NASTRAN建模，通过直接计算的方法，校核船舯部旋转吊机船体支撑结构强度能否满足CCS的相关规范要求。

3.1   有限元建模

3.1.1  计算坐标

X方向：以船长方向作为计算坐标的X方向，以船首方向为正向;

Y方向：以船宽方向作为计算坐标的Y方向，以纵中剖面往左舷的方向作为正向;

Z 方向：以型深方向作为计算坐标的Z 方向，以垂直向上方向作为正向。

3.1.2  有限元模型的范围

纵向：FR19～FR29

横向：左舷舷侧至右舷舷侧;

垂向：船底实肋板面板～ 机舱顶棚，并往上延伸至起重柱的支撑圆筒顶端。

3.1.3  模型

本模型主要用板壳单元Quad4建模，用三角形单元Tri3、梁单元Bar2辅助建模;有限元网格按肋骨间距与纵骨间距的1/2划分。

起重柱与主船体结构相连接区域构件交错较多，结构较为复杂，为较好观察多个构件相交所造成的高应力部位的影响，适当细化起重柱与主船体结构相连接区域的网格，细化后网格为原尺度的1/4～1/2。

本计算将起重柱的支撑圆筒结构纳入计算模型。但对于该支撑圆筒的结构强度不做校核，仅仅是为了减小模型边界约束的影响并传递荷载，如图1所示。

3.1.4   结构材料的特性

起重柱为高强度钢AH36，其余为船用普通钢。

3.1.5   单元属性

模型中，将单元Quad4 、Tri3的属性定义为Shell;将Bar2 梁单元的属性定义为Beam，且注意偏心。

根据相关规范要求，仍需校核支撑结构的抗屈曲能力。为方便屈曲强度的评估，除起重柱不作校核外，全都将减薄厚度1.0 mm除去。

3.1.6  边界条件

根据相关规范要求，并考虑本模型的实际情况，对本计算模型设置约束条件，如表1、图2所示。

3.2   载荷条件

本模型的载荷主要包括：旋转吊机的自重、吊机起升产生的载荷、回转加速产生的水平载荷、风压载荷与运动载荷。

3.3  工况载荷组合

本计算假定本船的作业工况属于规范所定义的标准作业工况。旋转吊机下船体结构左右对称，以回转中心和甲板面的交点为原点，将载荷作用的方向定义与计算模型建模所设置的坐标方向相同。

对旋转吊起重机，分别设置以下几种作业情况：

（1） 起重机工作、纵向起吊、起重臂在XOZ 平面内作业，起重臂指向船尾方向;

（2） 起重机工作、横向回转起吊、起重臂在YOZ 平面内作业，起重臂指向船左舷方向;

（3） 起重机工作、水平回转、回转方向由船尾旋转至左舷，或由左舷旋转至船尾;

（4） 风压载荷作用，沿纵向时其方向由船首指向船尾，沿横向时其方向由船右舷指向左舷。

根据规范要求，旋转吊机下的船体支撑结构强度计算，应考虑如下几种工况：

（1）吊机在无风状态下正常作业;

（2）吊机在有风状态下正常作业;

（3）吊机不作业、船舶运动。

工况的组合载荷，详见表2。

3.4  计算结果

本模型计算的结果，以应力云图的形式显示。在各作业工况下船体支撑结构各主要构件的应力，主要有剪切应力、正应力、von-Mises应力等，如图3所示。

3.5   强度及屈曲校核

3.5.1 安全系数

根据规范要求，不同作业工况下计算应力应不大于构件的许用应力值;对本项目中位于三面相交角隅位置并与支撑筒体直接相连的板单元，von Mise 应力的安全系数取为1.15，正应力与剪应力的安全系数可相应减小。

本船结构构件强度校核的安全系数，如表3 所列。

3.5.2  许用应力

根据相关规范要求，许用应力通常不超过表4的值;此外，可以不采纳形状很差和应力集中的单元应力。

表4中k为材料换算系数。起重柱的筒体为AH36 高强度钢，取k = 0.72;其它結构构件为普通船用钢，实取 k =1.0。

3.5.3  强度校核

旋转吊机下船体支撑结构的应力计算结果，如表5 所列：

由表5可知，旋转吊机下船体支撑结构的强度满足相关规范的要求，且有一定裕度。

3.5.4  屈曲强度

屈曲强度评估中，构件的标准减薄厚度取1.0 mm，最小屈曲安全因子取1.0。船体结构的屈曲强度校核，如表6 所列。

由表6 可知：旋转吊机下船体支撑结构的屈曲强度满足相关规范要求，且具有一定裕度。

4    结论

对于水上起吊作业工程船，旋转吊机要尽可能布置在船体的中纵剖面处。其船体支撑结构有不同的方式，但最好采用筒体支撑结构。通过上述计算可以看出，筒体支撑结构能够很好地满足规范对强度的要求，并有一定的裕度。

参考文献

[1]中国船级社.钢质海船入级规范[M]. 北京：人民交通出版社，2018.

[2]中国船级社.船舶与海上起重规范[M]. 北京：人民交通出版社，2008.

[3]中国船级社.油船结构直接计算指南[M]. 北京：人民交通出版社，2003.