16 000 kN起重船起重机基座结构设计及有限元分析

陈若泰，严 柳，李少泽

(1.招商局邮轮制造有限公司，江苏 南通 226000；2.招商局重工(江苏)有限公司，江苏 南通 226000)

0 引言

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。大型旋转式起重船作为海上风电项目安装的重要设施，其起重机能够在水面上作360°旋转，承担着货物的装载、风机基础桩打桩、风机筒的安装等工作。本文选取正在建造的16 000 kN全回转起重船的起重机基座作为研究对象，通过对比分析起重机布置和其基座形式的优缺点，确定起重机基座的形式，并采用有限元方法验证当前设计的该船船体结构和起重机基座的强度是否满足船级社要求，为起重船的安全运行和起重机的正常使用提供保障。

1 主要参数

16 000 kN全回转起重船为全焊接式钢质、单壳、单甲板的箱型船，适用于近海、沿海、内河等水域进行吊装工作，也能够在潮间带坐底作业。其主要参数如下：船长(主甲板)102.0 m，船宽39.6 m，型深9.0 m，设计吃水4.0 m(拖航工况)，作业吃水5.0 m(浮态起重重)，结构吃水7.0 m；最大起重能力为16 000 kN，主钩最大起升高度约110 m。起重机的技术参数见表1。

表1 起重机技术参数

2 起重机基座设计

2.1 起重机设计因数分析

16 000 kN全回转起重机作为该起重船最重要的设备之一，能否发挥其应有的性能是评价该起重船满足设计要求的最基本的指标之一。而起重机的性能与其布置的位置有直接关系，同时起重机的布置又与该船的重量分布、总纵弯矩、稳性密切相关。为了提高起重机的性能，从以下几个方面分析起重机的位置：

(1)将起重机基座布置在船首。为了便于船舶的迁移和操作，驾驶室和生活区一般布置在船首。

(2)将起重机基座布置在船中。将起重机基座布置在船中，有利于该船的调载，但会减少整体的净甲板面积。在主甲板上减少大型货物堆放区域，同时主起重机下方为整船结构的关键区域，舱壁的开孔受到限制，会增加管路和电缆的穿舱，增加船舶建造难度。因此，不能将起重机基座布置在船中。

(3)将起重机基座布置在船尾。该方案能够将船中的甲板都设置为货物堆放区域，从而能够堆放大型尺寸构件。本船采用该布置，其布置见图1。

图1 主起重机布置图

2.2 起重机基座形式设计

为了避免起重机基座与起重机筒体结构的应力集中和连接构件的疲劳，将起重机基座的上口直径与起重机底座筒体的直径一致，从而使起重机载荷更好地传递到船体结构上。采用上述的连接形式不仅能够使该处连接简单化，而且降低了后期施工的难度。

常见的起重机基座下口一般有圆筒型和上圆下方型，具体形式见图2和图3。圆筒型基座结构设计简单，减少了起重机基座横纵舱壁及舱壁上的垂直桁材和水平桁材，进而降低了起重机基座的整体重量，减少了建造成本；同时，采用该结构形式的基座，可以减少起重机基座过渡段的应力集中现象以及降低施工过程中焊接工艺的难度。上圆下方机基座虽然能够很好地将起重机的载荷传递到船体结构上，但是需要在船体上额外增加4道舱壁，用于传递起重机的载荷，且采用该方案在结构过渡阶段施工困难、施工精度要求高。考虑本船起重机基座下方没有额外的空间用于布置横纵舱壁，故采用图2的结构形式作为最终设计方案。

图2 圆筒型基座形式

图3 上圆下方基座形式

采用圆柱形支撑形式作为起重机基座，其结构形式从船底一直贯穿主甲板，并与起重机底座连接，见图4。起重机基座的支撑圆柱结构在主甲板以上10 m的板厚为60 mm的高强度钢，主甲板到主甲板以下2.85 m的壁厚为60 mm的高强度钢，主甲板以下2.85 m到船底的壁厚为40 mm的高强度钢；从主甲板到起重机底座的圆柱体均布30根垂直桁梁；垂直桁梁以圆柱的圆心为中心均匀排列，垂直桁梁之间的夹角为12°，垂直桁梁的尺寸为腹板高度400 mm、厚度30 mm的高强度钢，面板为高度150 mm、厚度30 mm的高强度钢；垂直桁梁与甲板的连接采用肘板连接，肘板趾端采用软趾连接并且要打磨光顺，减少应力集中。此种设计在减轻空船重量的同时能够最大限度地将起重机载荷传递到船体上。同时按照起重机设备资料的要求，起重机底座高度为10 m。

图4 起重机基座图(单位：mm)

2.3 起重机基座强度有限元验证

为了校核主起重机基座位置及支撑结构的强度，采用有限元软件FEMAP对其进行计算。模型使用板单元和梁单元混建：4节点板单元模拟扶强材、桁材、甲板板、舱壁和外板；2节点的梁单元模拟甲板下的支柱。为保证计算精度，在建模时，船长方向选0～75肋位的结构，船宽方向选取右舷舷侧外板至左舷舷侧外板，高度方向沿船底板到主甲板往上10 m。船体结构及起重机基座支撑结构采用高强钢，弹性模量为2.06×10MPa，泊松比为0.3，屈服应力为355 MPa，有限元模型见图5。

图5 起重机基座强度校核模型

按照起重船的设计要求，本船的设计工况分为坐底作业工况、浮态起重作业工况及调遣工况，因而需对有限元模型施加不同环境载荷，包括甲板载荷、起重机载荷、风载荷及水载荷等。

甲板载荷按照最大甲板载荷20 000 kN选取。为保证起重机基座强度满足要求，将20 000 kN甲板载荷施加在主甲板靠近起重机的载货区域。

风载荷按照《钢质海船入级规范》要求计算。经计算，作业工况风压为245.2 Pa，调遣工况风压为1 854.3 Pa。

水载荷与平台吃水有关。起重船坐底作业吃水为2 m，浮态起重作业吃水为5 m，迁移工况吃水为4 m，水载荷按照水的压强公式施加到船体表面。

本船起重机作业方式包括固定吊尾起吊和全回转起吊两种方式。由于固定尾部起重机在正负15°范围工作，因此起重臂每旋转15°计算一次，分析3个角度下起重机的强度。全回转工况则每旋转45°计算一次，分析每个角度下起重机的强度。依据设备资料可得到不同工况下起重机的支反力，见表2。

表2 不同工况下的起重机支反力

边界条件如下：

(1)浮态吊重工况&调遣工况有限元模型在边界FR75施加铰支约束(、、位移约束,、、转动约束释放)。

(2)坐底作业工况有限元模型在边界FR75施加铰支约束(、、位移约束,、、转动约束释放)，在船底板上施加向约束。

依据上述有限元模型进行计算，不同工况下起重船船体及主起重机基座的等效应力云图见图6，其对应的最大等效应力值均小于许用应力值。

图6 不同工况下等效应力云图(单位：MPa)

依据《船舶与海上设施起重设备规范》(2007)许用应力的要求，起重船在作业工况和调遣工况时的安全系数分别为1.43和1.33，即在作业工况和调遣工况下其对应的钢材许用应力为248 MPa和267 MPa。在各个工况下船体和起重机基座对应的等效应力均小于最大许用应力，因此，按照此种方式设计本船的起重机基座满足强度要求。

3 结论

(1)建议将起重机布置在船尾。该布置能够增加甲板使用面积，同时有利于全船的重量分布。

(2)建议采用圆筒型起重机基座。该种形式的基座结构形式简单，能够降低后期的施工难度。

(3)通过有限元分析，验证了采用圆柱型起重机基座设计形式的船体结构强度和起重机基座强度满足船级社要求。