郭艷超 鄭學(xué)義

（上海歐得利船舶工程有限公司 上海 200012）

引 言

最近幾年，我們公司提出新一代“藍(lán)鯨（Blue Whale）”系列多用途船的概念，涵蓋的載重量從4000 t～60000 t。該系列船型具有大開(kāi)口、靈活的雙層甲板以及可移動(dòng)谷物艙壁等特點(diǎn)。該船可以很方便地裝載不同的貨物，如大件重貨、集裝箱、散貨等，具有強(qiáng)大的負(fù)載和靈活的裝卸能力，兼具高效的能耗和低排放，受到國(guó)內(nèi)外許多船東的好評(píng)。

28000 t多用途船是該系列成熟技術(shù)的代表產(chǎn)品。到目前為止，已經(jīng)分別被COSCO、德國(guó)Braren、Freese、伊朗以及埃塞俄比亞等船東訂造并交付，也經(jīng)歷了CCS、GL、BV、ABS等船級(jí)社的審核，船東和船級(jí)社都對(duì)該船的特點(diǎn)印象深刻。經(jīng)過(guò)實(shí)船運(yùn)營(yíng)的檢驗(yàn)，該船成為各自公司的明星船型。

該船艙內(nèi)配備2層二甲板，在4個(gè)貨艙中的第2艙和第3艙各裝備一套谷物艙壁，內(nèi)底除了集裝箱設(shè)備的加強(qiáng)外，還能承受3個(gè)墊木25 t/2層1.8 m（直徑）×1.5 m（長(zhǎng)度）的卷鋼和抓斗操作。特別是在左舷設(shè)置3臺(tái)邊克令吊，其中2臺(tái)為可聯(lián)吊的重吊。

在設(shè)計(jì)建造過(guò)程中，應(yīng)不同船東的要求，本系列船的3臺(tái)邊克令吊具備不同的吊重能力。各個(gè)船級(jí)社的船檢人員也就邊克令吊基座的加強(qiáng)以及邊克令吊與附近結(jié)構(gòu)的連接方式等問(wèn)題，提出了不同的設(shè)計(jì)方案。為解決應(yīng)力集中問(wèn)題并比較這些方案的優(yōu)劣，我們利用FEMAP 有限元軟件［1］，對(duì)具有代表性的吊重能力為80 t和200 t的邊克令吊，建立了多個(gè)有限元模型進(jìn)行分析比較［2-3］，希望能對(duì)類(lèi)似情況給出一定的建議。

1 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介

本文討論的吊重能力80 t和200 t的邊克令吊，兩者附近的船體結(jié)構(gòu)情況基本相似:克令吊位于左舷舷側(cè)縱向艙口圍板外，筒體截面為長(zhǎng)方形，筒體內(nèi)橫向板位于肋位上，其外側(cè)縱向板與外板對(duì)接，折角后的主甲板縱骨與其筒體內(nèi)側(cè)縱向板對(duì)齊。主甲板以下，在克令吊筒體范圍內(nèi)，除了已有的橫向框架外，其他所有肋位均作適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充加強(qiáng)?？肆畹鯀^(qū)域結(jié)構(gòu)布置情況見(jiàn)圖1。

圖1 邊克令吊區(qū)域有限元模型

圖2 艙蓋設(shè)備典型加強(qiáng)圖

本系列船的舷側(cè)寬度為2200 mm，邊克令吊筒體的寬度大約1490 mm。在克令吊區(qū)域內(nèi)，縱向艙口圍上有很多艙口蓋的設(shè)備，這些設(shè)備尤其是橫向限位裝置的加強(qiáng)肘板的面板有些是縱向幾個(gè)肋位相連。在舷側(cè)寬度有限的情況下，這些加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與克令吊筒體就產(chǎn)生位置沖突（見(jiàn)圖2）。為保證這些加強(qiáng)結(jié)構(gòu)不受影響，我們考慮將艙口圍結(jié)構(gòu)與克令吊筒體相連。由此帶來(lái)一個(gè)新的問(wèn)題——連接部分的應(yīng)力集中，即克令吊工作時(shí)會(huì)對(duì)相連的艙口圍結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉伸或擠壓，從而出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文就邊克令吊筒體與艙口圍的連接方式，提出了兩種不同的設(shè)計(jì)方案，以期解決高度的應(yīng)力集中問(wèn)題?？紤]到在邊克令吊和艙口圍結(jié)構(gòu)完全脫開(kāi)的情況下，其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式較為常規(guī)，所以本文對(duì)這種加強(qiáng)結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)以及有限元計(jì)算不再贅述。

1.1 方案1

邊克令吊筒體與縱向艙口圍板以及其橫向加強(qiáng)肘板相互連接，筒體兩端的艙口圍板用橢圓形光順過(guò)渡（見(jiàn)下頁(yè)圖3）。該方案的優(yōu)點(diǎn)是克令吊的受力和變形部分地傳遞到艙口圍結(jié)構(gòu)上，同時(shí)避免了邊克令吊與艙口圍橫向肘板距離過(guò)近而帶來(lái)的施工空間狹小的問(wèn)題。但因克令吊筒體是與船體梁產(chǎn)生的最大彎曲應(yīng)力處連接，一定要注意節(jié)點(diǎn)處理，避免應(yīng)力集中［4-5］。根據(jù)方案1建立了有限元模型，見(jiàn)圖4。

圖3 方案1結(jié)構(gòu)連接形式

1.2 方案2

邊克令吊筒體與縱向艙口圍板相互獨(dú)立，只采用圓滑的歐米伽（OMEGA）孔形式與其橫向加強(qiáng)肘板相連接，以使應(yīng)力緩慢疏散，避免應(yīng)力集中（見(jiàn)圖5）。這樣的好處是能避免與船體縱向構(gòu)件之間產(chǎn)生直接聯(lián)系，也能解決由于邊克令吊與艙口圍橫向肘板距離過(guò)近而帶來(lái)施工空間狹小的問(wèn)題。缺點(diǎn)是施工工藝和精度要求高。根據(jù)方案2建立了有限元模型（見(jiàn)圖6）。

圖4 方案1有限元模型

圖5 方案2結(jié)構(gòu)連接形式

圖6 方案2有限元模型

2 有限元模型的概況介紹

對(duì)于以上兩種結(jié)構(gòu)方案，為了減小邊界條件對(duì)計(jì)算精度的影響，我們將結(jié)構(gòu)模型的范圍盡可能遠(yuǎn)離克令吊本身:在船寬方向延伸至內(nèi)殼縱艙壁或橫艙壁上縱向桁材以及外板；在型深方向延伸到主甲板下第二層平臺(tái)。在有限元模型中，所有扶強(qiáng)材及肘板的面板均用梁?jiǎn)卧?，所有的板殼結(jié)構(gòu)均用板單元。普通區(qū)域的網(wǎng)格大約為200 mm×200 mm，在容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的局部結(jié)構(gòu)處，單元網(wǎng)格密度細(xì)化為50 mm×50 mm。

2.1 邊界條件

（1）模型的橫向邊界位于橫艙壁上縱向桁材，剛性固定。

（2）模型的垂向邊界位于主甲板下第二層平臺(tái)，剛性固定。

（3）模型的縱向邊界位于離克令吊區(qū)域較遠(yuǎn)位置的橫向強(qiáng)框上，剛性固定。

2.2 載荷條件

在本船的實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，克令吊只會(huì)在港內(nèi)操作，所以克令吊載荷與艙蓋載荷、船體梁最大載荷不會(huì)同時(shí)發(fā)生。

根據(jù)克令吊廠商提供的資料，克令吊的載荷分別為吊重能力為80 t的克令吊，Qmax=1200 kN，Mmax= 32000 kN·m；以及吊重能力為200 t的克令吊，Qmax= 3850 kN，Mmax= 60700 kN·m。其中:Qmax為最大垂向向下載荷； Mmax為可在水平面內(nèi)任何角度作用的最大彎矩。

以上兩型克令吊，對(duì)于Mmax，我們可從船長(zhǎng)方向開(kāi)始，在水平面內(nèi)每15°為一個(gè)工況，來(lái)模擬其吊臂工作狀態(tài)時(shí)的作業(yè)角度，從而找到對(duì)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)最危險(xiǎn)的情況，如圖7。

圖7 24種計(jì)算工況彎矩方向示意圖

2.3 應(yīng)力衡準(zhǔn)

本系列船的克令吊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)中，高應(yīng)力處的鋼料等級(jí)均為36 kg高強(qiáng)度鋼。根據(jù)船級(jí)社相關(guān)規(guī)范，應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)為:合成應(yīng)力［σ］=243 N/mm2。［6］

3 計(jì)算結(jié)果分析與兩種方案的比較

在計(jì)算中，我們對(duì)艙蓋的載荷及其加強(qiáng)單獨(dú)進(jìn)行了校核。同時(shí)，考慮到克令吊的位置在艙口角隅附近，我們也仔細(xì)考核了克令吊工作時(shí)，艙口角隅附近的應(yīng)力。結(jié)果表明，兩種方案中，艙蓋載荷的加強(qiáng)以及艙口角隅的結(jié)構(gòu)都能滿(mǎn)足船級(jí)社要求。

在以上的模型和邊界條件下，我們通過(guò)計(jì)算得到了各個(gè)模型在24種不同工況下的應(yīng)力。

考慮到以上兩種設(shè)計(jì)方案下，主甲板以下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力不大，同時(shí)為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)，我們?cè)诟綀D中只取每個(gè)克令吊最危險(xiǎn)工況中主甲板以上區(qū)域的應(yīng)力圖。

其中吊重能力80 t邊克令吊的最大合成應(yīng)力，方案1為206.5 N/mm2（見(jiàn)圖8）；方案2為234.8 N/mm2（見(jiàn)圖9），都能滿(mǎn)足船級(jí)社規(guī)范的要求。由應(yīng)力云圖可知，在方案1中，最危險(xiǎn)工況中的最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩端肘板的頂部，其余加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均小于168 N/mm2；在方案2中，最危險(xiǎn)工況的最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩端肘板的歐米伽孔邊緣處，其余加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均小于176.3 N/mm2。值得注意的是，方案2中的歐米伽孔形狀是我們經(jīng)過(guò)多次方案修改和多次演算后得出的最優(yōu)結(jié)果。方案1與方案2相比，其對(duì)于克令吊剛性的提高、應(yīng)力的降低、施工以及解決艙口蓋設(shè)備的加強(qiáng)等方面更為優(yōu)越，是我們推薦的優(yōu)化方案。

圖8 吊重能力80 t克令吊方案1中最危險(xiǎn)工況合成應(yīng)力云圖

圖9 吊重能力80 t克令吊方案2中最危險(xiǎn)工況合成應(yīng)力云圖

吊重能力為200 t的重型邊克令吊最大合成應(yīng)力，方案1為379.6 N/mm2（見(jiàn)圖10）；方案2為437 N/mm2（見(jiàn)圖11），兩種方案的應(yīng)力水平已經(jīng)遠(yuǎn)超船級(jí)社規(guī)范要求。同時(shí)，通過(guò)我們的試算，即使將高應(yīng)力區(qū)域的板增加至極限板厚，方案1和方案2的應(yīng)力結(jié)果仍遠(yuǎn)超出許可范圍。在吊重加大的情況下，由于艙口圍附近的剛度條件有限，兩種方案都已不再適用。

圖10 吊重能力200 t克令吊方案1中最危險(xiǎn)工況合成應(yīng)力云圖

圖11 吊重能力200 t克令吊方案2中最危險(xiǎn)工況合成應(yīng)力云圖

鑒于以上的計(jì)算結(jié)果，對(duì)于多用途船的邊克令吊底部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，尤其是對(duì)于特重型吊（吊重能力200 t及以上）的布置，有必要在設(shè)計(jì)初期予以特別重視。在舷側(cè)寬度有限的情況下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該積極與各個(gè)設(shè)備商做好前期溝通，盡可能避免邊克令吊的布置位置與艙口蓋的橫向限位裝置重疊，這樣邊克令吊與艙口圍結(jié)構(gòu)完全脫開(kāi)，互不影響，從而避免出現(xiàn)因連接而導(dǎo)致的高應(yīng)力結(jié)果或不連接帶來(lái)的施工困難的問(wèn)題。

4 結(jié) 論

本文提出的方案1對(duì)吊重能力80 t和120 t的邊克令吊的加強(qiáng)方式均獲得GL船級(jí)社的審批；方案2對(duì)80 t的邊克令吊的加強(qiáng)方式獲得BV船級(jí)社的審批；對(duì)于吊重能力200 t的邊克令吊，在實(shí)船中，由于其附近沒(méi)有艙口蓋橫向限位的加強(qiáng)，我們采取克令吊與艙口圍結(jié)構(gòu)完全脫開(kāi)的方法，也獲得GL船級(jí)社的認(rèn)可。在多艘實(shí)船的運(yùn)營(yíng)中，該加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力水平都在可控范圍內(nèi)，沒(méi)有出現(xiàn)任何結(jié)構(gòu)問(wèn)題，也從實(shí)踐上檢驗(yàn)了我們?cè)O(shè)計(jì)方案是成功的。

［1］羅旭，趙明宇，雷駿雄. Femap & NX Nastran基礎(chǔ)及高級(jí)應(yīng)用［M］. 2009.

［2］孫雪榮，許彬. 克令吊基座的局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.船舶 .2006（6）:21-26.

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［4］中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司. 船舶設(shè)計(jì)使用手冊(cè)（結(jié)構(gòu)分冊(cè)）［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

［5］劉建成，顧永寧. 大開(kāi)口船艙口角隅應(yīng)力集中問(wèn)題研究［J］.船舶工程，2000（6）:9-12.

［6］GL. Regulations for the Construction and Survey of Lifting Appliances， Section 2–Design and Calculation Principles［S］. 1992.

［7］孫雪榮，馬網(wǎng)扣.克令吊基座的局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究（續(xù)）［J］.船舶，2009（3）:26-29.