3 000 t起重船扒杆结构强度有限元分析

梁 鹏，邓映雪，张雨晨，李 磊，万宇飞

(1.中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300459；2.浙江海洋大学 船舶与海运学院，浙江 舟山 316022)

0 引言

随着我国大型海上工程和海洋油气开发工作的不断发展，起重船作为非常重要的工程船之一，近年来在技术和构件方面也得到了逐步的改善，尤其是起重船上的扒杆结构成为了主要研究的优化对象之一。目前为止，针对1 000 t以下的起重船扒杆的结构强度及稳定性都进行了较为全面的研究，但是针对1 000 t以上的大型起重船扒杆结构研究还比较少。王庆丰以某1 000 t起重船为例利用MSC有限元软件对在不同工况作业下的船体、龙门架、千斤柱的强度进行了校核，指出了各部分的薄弱环节。尹睿以某1 200 t起重船为研究对象，校核了该船结构的稳定性和强度，并比较不同的结构加强方案的改进效果，选择最优方案对起重船进行改进。吴英照通过有限元分析计算了100 t起重船起重扒杆的强度和稳定性。张云志通过建立某内河150 t起重打捞船打捞扒杆的有限元模型，使用MSC.Patran软件对扒杆的屈服强度和稳定性进行评估研究。同时，田雷等、庞君等也针对起重船扒杆强度分析进行相关研究。本文针对3 000 t起重船扒杆结构采用有限元方法进行强度校核计算，以《船舶与海上设施起重设备规范(2007)》(下文简称《规范》)和《起重设备法定检验技术规则(1999)》为规范准则，并且根据不同工况下的计算结果进行分析。

1 起重船船型概述

3 000 t起重船为自航式起重船，吊钩组自重为420 kN，吊钩滑轮轮组工作绳数为16绳，在内河B级航区进行起吊作业。设置的起重扒杆工作角度为30.0°～61.1°，最小30°仰角工作负荷为3 000 kN，最大61.1°仰角工作负荷为30 000 kN。在不同起重臂架仰角时的起重安全工作负荷见表1。

表1 起重安全工作负荷

2 有限元模型

2.1 模型建立

本文采用Nastran软件进行有限元分析。在建模过程中，其轴沿船体纵向指向船首，轴沿船宽方向指向左舷侧，轴沿船体垂向。该模型全部采用梁单元模拟，模型施加集中力，以MPC形式传递载荷，模型见图1。

2.2 计算载荷

在计算中，不仅要考虑扒杆所受到的自重载荷，还需要考虑起升载荷、船舶倾斜所产生的起重载荷水平分力及起升系数等。

图1 有限元模型

该起重船的船长小于4倍的船宽，故起重机应该考虑纵倾角度为2°、横倾角度为3°时可以安全有效的作业。按照《规范》中表3.2.4规定:作业系数=1.05，重型起重机的起升系数为=1.1，且自重载荷以重力加速度方式加载，轴、轴和轴方向的具体重力加速度如下所示：

=105sin2°=0.359 m/s

=105sin3°=0.539 m/s

=-105=-10.290 m/s

风速产生的风压计算公式为

=0.613

(1)

此时，起重机在工作时的风速应当为20 m/s，故此时工作状态时产生的风压为

=0.245 2 MPa

(2)

表2 各工作角度下的工作负荷和风力

参照《规范》，作用在起重机结构上或单个构件上的风力计算公式为：

=

(3)

式中：为风力系数，方向与风向同；为构件的投影面积，方向与风向垂直，m，组合结构的投影面积为结构上每个构件的投影面积之和。

表3为计算工况及其载荷组成汇总。

2.3 边界条件

扒杆最底端与船连接处使用铰支固定连接，扒杆顶端使用变幅钢索约束。有限元模型的边界条件见表4和图2。

3 计算结果

本计算根据《规范》中规定，计算分析了每一个工作角度扒杆在无风、有风及试验工作状态下的受力情况。许用应力按下式计算：

(3)

表3 计算工况及其载荷组成

式中：为系数，取1.0；为屈服极限，对于Q345B强度钢，取345 MPa；为安全系数。

参数及许用应力见表5。

表4 边界条件

图2 边界条件示意图

表5 安全系数n及许用应力

从起重扒杆各工况下最大应力汇总结果可知：各个工况下所受到的等效应力和最大剪切应力值均满足规范条件；但是，在工况4时等效应力和最大剪切应力最大，同时在该工况下，横向受风时所受到的应力最大；其余工况下的等效应力和最大剪切应力相较于规范条件还有一定的空间。

图3和图4列出了工况4在横向受风时的扒杆等效应力云图及剪切应力云图。

从图3和图4中可以看出，该起重船扒杆的应力集中在其延长杆右面的扒杆梁处，因此要着重加强该部分的结构强度。

4 结语

本文以某3 000 t起重扒杆船为研究对象，应用Nastran软件计算了扒杆延长后结构强度问题，对该扒杆结构进行强度分析及校核，所得计算结果满足《船舶及海上设施起重设备规范》和《起重设备法定检验技术规则》相关规范和规则。对比计算结果可知，《规范》中建议计算的各工况最大应力出现在起重扒杆角度为46.1°，且为横向受风状态。本文计算工况中的应力集中体现在扒杆延长杆的右侧连接处，在该部位应予以加强，计算内容为大型起重扒杆结构的延长杆设计与优化提供了参考依据。

图3 工况4扒杆结构等效应力云图(单位：MPa)

图4 工况4扒杆结构最大剪切应力云图(单位：MPa)