張 健,劉建峰,季建忠,尹 群

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2.上海外高橋造船有限公司,上海 200137;3.揚(yáng)州市地方海事局,江蘇 揚(yáng)州 225009)

1 引言

吊馬是船舶建造過(guò)程中船體分段等結(jié)構(gòu)物搬運(yùn)、翻身、總組、搭載的必要構(gòu)件,由于所吊對(duì)象一般為大型結(jié)構(gòu)物,一旦發(fā)生危險(xiǎn)必將造成嚴(yán)重后果,因此,保證吊馬在使用過(guò)程中的安全十分重要。由于吊馬在船廠應(yīng)用范圍廣泛,使用數(shù)量巨大,吊馬結(jié)構(gòu)形式的簡(jiǎn)繁直接關(guān)系到吊馬的制造工藝性及用工量的大小,吊馬的單件自重關(guān)系到吊馬耗費(fèi)鋼材的多少。在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上,收集了目前國(guó)際上先進(jìn)造船企業(yè)正在使用的吊馬相關(guān)資料,通過(guò)分析整理,從中、日、韓三國(guó)多家船廠中各選取一家具有代表性的吊馬設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),從結(jié)構(gòu)形式、自重、力學(xué)性能三方面對(duì)所選吊馬進(jìn)行比較研究,了解其各自的優(yōu)缺點(diǎn),取長(zhǎng)補(bǔ)短,吸取經(jīng)驗(yàn),為優(yōu)化吊馬設(shè)計(jì)提供參考。

2 三種代表性吊馬結(jié)構(gòu)形式概述

2.1 外高橋造船有限公司吊馬

外高橋造船有限公司目前為我國(guó)大型造船企業(yè)之一,其技術(shù)力量雄厚,造船模式先進(jìn)。在吊馬使用方面,外高橋造船有限公司擁有一套完備的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),具有多種吊馬型式,主要有 A 型、B型、C型、D型、E 型、F 型、H 型、I型、J型 、K 型等 ,每種型式的吊馬又有可以承受10～50t不同載荷的吊馬型號(hào),如 A 型吊馬就有 10 t、15 t、20 t、25 t、30 t、40 t、50 t 7種型號(hào),所有吊馬型號(hào)共有40余種類別,這些型號(hào)的吊馬各有特定明確的適用區(qū)域和使用范圍,但同時(shí)也具有種類繁多、復(fù)雜、難于批量制造等缺點(diǎn)。以下僅列舉幾種外高橋常用的吊馬型式,見(jiàn)圖1、圖2 、圖 3。

外高橋造船有限公司各類型式的吊馬中,一般起吊載荷為10t的吊馬吊孔周圍不安裝復(fù)板,起吊載荷為15t的吊馬,吊孔周圍要安裝單面復(fù)板,20t以上(包括20t)時(shí),吊孔周圍加裝雙面復(fù)板,同時(shí)在吊馬兩側(cè)均加裝對(duì)稱的防傾肘板,安裝復(fù)板無(wú)疑會(huì)給吊馬加工增加很多工作量,同時(shí)增加吊馬自重。

2.2 日本船廠吊馬

日本川崎株式會(huì)社在日本和中國(guó)擁有多家船廠,川崎造船有限公司是日本規(guī)模較大的現(xiàn)代化造船公司,船廠完全采用日式造船流程、日式造船技術(shù)和管理方法,日本最新的造船技術(shù)在川崎船廠都會(huì)得到迅速的應(yīng)用。所以,川崎船廠的技術(shù)水平能夠代表日本最高的造船水平。川崎船廠的吊馬結(jié)構(gòu)形式只有兩種,即D型和T型,D型共有可以起吊2～50t不同載荷的11種型號(hào)的吊馬,T型吊馬共有可以起吊3～50t不同載荷的10種型號(hào)的吊馬。川崎船廠吊馬總的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)潔,不加裝復(fù)板,類型少,通用性強(qiáng),工藝性好,易于批量制造。D型吊馬一般應(yīng)用在船體結(jié)構(gòu)的外板上,T型吊馬一般應(yīng)用在結(jié)構(gòu)的側(cè)面的構(gòu)造面或者骨材側(cè)面上。圖4及圖5為川崎船廠某噸位的D型及T型吊馬。

2.3 韓國(guó)船廠吊馬

韓國(guó)三湖船廠的吊馬分為A、B、C、D四種類型,四大類型吊馬按照承載能力的不同共有30種型號(hào)。A型吊馬中有可以承受5～70t不同載荷的12種型號(hào),B型吊馬中有可以承受5～60t載荷的10種型號(hào),C型吊馬中有5～60t的7種型號(hào),D型有可以起吊20t載荷的一種型號(hào)。其中,A型及B型吊馬應(yīng)用范圍較為廣泛,與外高橋船廠吊馬的某些類型有較多相似之處,吊馬的吊孔周圍也是按照噸位大小安裝單層或雙層復(fù)板進(jìn)行局部加強(qiáng),但是吊馬肘板的安裝位置和肘板的結(jié)構(gòu)形式有所不同,韓國(guó)吊馬的肘板上一般開(kāi)有較大減輕孔。起吊載荷為5t的吊馬兩側(cè)不安裝肘板,起吊載荷為10～60t的吊馬每側(cè)只安裝一塊肘板,形成非對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式,只有起吊載荷為70t的吊馬才在兩側(cè)各安裝兩塊肘板,這一點(diǎn)和外高橋吊馬肘板形式有所不同。圖6和圖7分別為應(yīng)有范圍較廣的韓國(guó)A型及B型吊馬。

3 三種吊馬自重比較

由于吊馬在船廠應(yīng)用范圍廣泛,使用數(shù)量多,因此,單件自重是衡量吊馬優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo),自重較輕且性能良好的吊馬可以為船廠節(jié)約大量鋼材。具有代表性的三國(guó)的三家船廠正在使用的吊馬種類繁多,吊馬的適用區(qū)域各異,吊馬的結(jié)構(gòu)形式也有較大差別。因此,對(duì)每一種吊馬的自重均進(jìn)行比較不太可能,也沒(méi)有意義。為了增加可比性,本文從三個(gè)系列吊馬中各選取一種起吊載荷相同、型式類似、適用區(qū)域相同的吊馬進(jìn)行質(zhì)量比較。

以起吊載荷為50t的吊馬為例,分別選取外高橋船廠的A-50型、日本川崎船廠的D-50型和韓國(guó)三湖船廠的LA-50型吊馬進(jìn)行比較研究。三種吊馬包括附屬結(jié)構(gòu)(肘板)在內(nèi)的自重分別列于下表中。

表1 三種50t吊馬自重比較

在三種吊馬中,韓國(guó)船廠吊馬最輕,日本川崎的吊馬最重,但是日本川崎吊馬結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單,吊孔周圍無(wú)復(fù)板,安裝時(shí)無(wú)肘板,裝卸比較方便,工藝性好,且使用次數(shù)較多。由于日本川崎D型吊馬主要適用于骨材或板上,D型吊馬一般不設(shè)肘板,而T型吊馬一般適用于構(gòu)造側(cè)面,且T型吊馬長(zhǎng)度較長(zhǎng),一般需設(shè)置防傾肘板。

4 額定載荷下吊馬應(yīng)力計(jì)算

同樣以起吊載荷為50t的吊馬為例,分別選取外高橋船廠的A-50型、川崎船廠的D-50型和韓國(guó)三湖船廠的LA-50型吊馬為研究對(duì)象。利用MSC.Patran軟件建立1:1的有限元三維模型,并利用MSC.Nastran軟件進(jìn)行有限元應(yīng)力計(jì)算。

4.1 彈性Hertz接觸理論分析

起吊船舶分段時(shí),吊馬與卸扣銷軸接觸,分段重力通過(guò)卸扣銷軸傳遞到吊馬孔內(nèi)壁,因此,吊馬上受力情況符合接觸力學(xué)理論。接觸力學(xué)理論始見(jiàn)于1882年H.Hertz發(fā)表的《論彈性固體的接觸》經(jīng)典論文。較為系統(tǒng)的闡述接觸力學(xué)理論及工程應(yīng)用的著作是1985年由K.L.Johnson撰寫的《接觸力學(xué)》一書[1]。接觸力學(xué)以彈性變形為前提,且計(jì)算軸、孔接觸處應(yīng)力分布時(shí)較為繁瑣,如圖8所示。

圖8 兩圓柱體接觸示意圖

在實(shí)際工程中,吊耳與吊軸之間的接觸遠(yuǎn)超出彈性范圍而發(fā)生塑性變形,塑性變形下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算可采用簡(jiǎn)化分析方法。采用適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理將實(shí)際接觸問(wèn)題簡(jiǎn)化為靜力學(xué)問(wèn)題,只要處理得當(dāng),可以方便地利用有限元軟件MSC.Nastran進(jìn)行計(jì)算,使問(wèn)題大大簡(jiǎn)化且具有較高的工程精度。經(jīng)比較研究,采用簡(jiǎn)化有限元分析方法與用Marc軟件按照接觸算法計(jì)算出的應(yīng)力分布在接觸區(qū)域、非接觸區(qū)域具有較好的一致性,同時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平基本相當(dāng),說(shuō)明選取合理的載荷分布、施加范圍,采用簡(jiǎn)化有限元可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算出吊耳接觸應(yīng)力分布[3]。有限元模型中用橢圓或拋物線模擬接觸載荷垂向分量分布,作用范圍根據(jù)吊耳孔徑與吊軸直徑的大小確定(載荷作用范圍可取左右對(duì)稱各30°～45°);吊耳結(jié)構(gòu)在吊孔區(qū)域采用細(xì)化有限元模型,載荷以節(jié)點(diǎn)力施加在相應(yīng)的作用區(qū)域內(nèi),且保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)上載荷積分后所得之和與所吊載荷相等。

4.2 邊界條件及載荷

4.3 計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)以上三種吊馬分別利用MSC.Nastran軟件[2]進(jìn)行有限元計(jì)算,圖12、圖13及圖14分別為外高橋船廠A-50型、日本川崎船廠D-50型、韓國(guó)三湖船廠LA-50型吊馬應(yīng)力云圖,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

從應(yīng)力分布云圖及表2中可以看出,日本川崎吊馬上的應(yīng)力最小,三種吊馬的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于吊馬所用材料的許用應(yīng)力,但應(yīng)力在吊馬上的分布位置有所不同,外高橋吊馬和日本川崎吊馬最大應(yīng)力均發(fā)生在直接施加載荷的吊孔周圍,而韓國(guó)船廠吊馬最大應(yīng)力發(fā)生在離吊孔有一定距離的吊馬板上。

表2 相同載荷下三種吊馬最大應(yīng)力情況比較

此外,為了從多個(gè)角度研究三種吊馬性能的優(yōu)劣,引進(jìn)最大應(yīng)力質(zhì)量比的概念,規(guī)定在某種載荷條件下,吊馬的最大應(yīng)力值比上該吊馬總質(zhì)量,即α=,以此來(lái)表示在現(xiàn)有載荷條件下吊馬的單位質(zhì)量上所承受的應(yīng)力值,體現(xiàn)了該型吊馬單位質(zhì)量鋼材在承擔(dān)應(yīng)力方面的利用率。計(jì)算結(jié)果表明,韓國(guó)船廠吊馬具有最高的應(yīng)力質(zhì)量比,達(dá)到3.35,材料的利用率最高;在起吊質(zhì)量相同情況下,外高橋船廠吊馬與三湖船廠吊馬的最大應(yīng)力相當(dāng),但是外高橋船廠吊馬質(zhì)量遠(yuǎn)重于韓國(guó)三湖船廠吊馬;日本川崎船廠的應(yīng)力質(zhì)量比最低,為1.31,日本川崎船廠的吊馬安全裕度最大,偏于安全。

5 結(jié)論

經(jīng)對(duì)三家船廠吊馬的結(jié)構(gòu)形式、自重、有限元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果幾方面進(jìn)行研究,得出如下結(jié)論。

(1)三種吊馬在額定載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力,完全達(dá)到使用要求。

(2)在相同載荷作用下,三種吊馬的最大應(yīng)力相差不大,但由于各吊馬的自重不同,所以應(yīng)力質(zhì)量比有較大差別,其中,韓國(guó)船廠吊馬具有最大的應(yīng)力質(zhì)量比,材料的利用率最高。

(3)三種吊馬各有其優(yōu)缺點(diǎn),其中,日本川崎船廠的吊馬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于制造及拆裝,能夠較少地破壞涂層,減少后期工作量,工藝性能最好,但是由于該型吊馬不設(shè)肘板,所以吊馬本體質(zhì)量較重,用鋼量較大;外高橋船廠吊馬品種繁多,與韓國(guó)三湖船廠吊馬相比,三湖船廠的吊馬輕,結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單,且具有較高的應(yīng)力質(zhì)量比,是一種較優(yōu)的吊馬結(jié)構(gòu)形式。

1 徐秉業(yè),羅學(xué)富、劉信聲.接觸力學(xué).北京:高等教育出版社,1992.

2 劉兵山,黃聰.Patran從入門到精通.北京:中國(guó)水利水電出版社,2003.