王艷龍，王桂云，李遵偉

（山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東青島 266001）

基于FEM的散貨船自卸系統(tǒng)設計研究

王艷龍1，王桂云2，李遵偉3

（山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東青島 266001）

為論證自卸設備結(jié)構(gòu)形式的安全合理性，采用有限元分析方法，對多種作業(yè)工況下自卸設備進行強度和變形分析。闡述了設備的受力特性和變形規(guī)律，可供以后此類設備設計時參考。

自卸設備；強度；剛度；有限元分析

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，人力成本越來越高，工作效率也越來越受到各行各業(yè)的重視。散貨船作為三大主流船型之一，在世界范圍內(nèi)的運輸中起著重要作用。大型散貨船也越來越受到廣大船東的青睞。但隨著船型噸位的增大，貨物裝卸方式以及裝卸效率成為廣大船東逐漸關(guān)注的問題。自卸式散貨船是從傳統(tǒng)散貨船演變過來的新型散貨船，由于其自帶貨物裝卸系統(tǒng)，大大提高了運輸效率，節(jié)約了時間和人力成本。

1 初步設計方案

2013年初，某集團承擔建造來自巴西船東的90000DWT自卸散貨船的設計建造任務，其詳細設計以及全套裝卸設備結(jié)構(gòu)設計由某公司承擔。整個自卸系統(tǒng)分為貨艙區(qū)的貨物吊，主甲板上伸縮卸貨皮帶機，皮帶機牽引裝置構(gòu)成。全套設備布置圖如圖1所示。

圖1 起重設備布置圖

結(jié)合船東和設備方提供的技術(shù)方案，貨艙區(qū)裝卸貨物實際情況以及船舶設備布置的情況，整套卸貨設備布置如圖2所示。

圖2 卸貨系統(tǒng)布置圖

如布置圖所示，貨艙區(qū)卸貨吊將貨物放入料斗，貨物從料斗流入物料傳送帶，經(jīng)伸縮卸貨皮帶機將貨物卸到碼頭。整套卸貨設備卸貨過程當中，伸縮卸貨皮帶機通過起重柱牽引進行不同方位的回轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)碼頭不同方位的自動裝卸，大大提高了裝卸效率。伸縮皮帶機在牽引起重柱的牽引作用下進行方位回轉(zhuǎn)時，設備承受的載荷也不斷地進行變化。復雜多變的作業(yè)角度、伸縮機構(gòu)的長度以及牽引設備的高度使得設備上所受的載荷復雜多變，尤其當伸縮皮帶機上裝滿貨物時需要改變碼頭卸貨位置時，對整套設備的強度和剛度提出了更高的要求。整套設備的安全作業(yè)，不光關(guān)系到卸貨的效率以及船舶結(jié)構(gòu)的強度，更關(guān)乎的工作人員的生命安全。

2 設計及計算目標

針對以上問題，本文以優(yōu)化整套系統(tǒng)的強度和剛度為設計目標，分析不同回轉(zhuǎn)方位下伸縮皮帶機和牽引起重柱在設計載荷下的應力水平和相對剛度變形，進行結(jié)構(gòu)強度和剛度計算。根據(jù)分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)形式及尺寸進行優(yōu)化，最終實現(xiàn)整套設備在滿足使用要求的基礎上結(jié)構(gòu)最優(yōu)。

圖2所示布置圖中，牽引起重柱位于貨物傳送帶和甲板機械的中間，伸縮皮帶機的回轉(zhuǎn)基座位于主甲板處。由于設備的位置及工作原理，需保證牽引起重柱的牽引中心和伸縮皮帶機的回轉(zhuǎn)中心同軸。而牽引起重柱基座的軸心并不與回轉(zhuǎn)中心重合，為滿足作業(yè)要求，需將牽引起重柱的結(jié)構(gòu)在垂直方向上做成偏心的結(jié)構(gòu)形式，來實現(xiàn)整套卸貨設備的同軸回轉(zhuǎn)，如圖3所示。

圖3 起重柱回轉(zhuǎn)示意圖

綜上設備作業(yè)原理和本文分析目標，運用有限元分析軟件：1）MSC. PATRAN version 2005；2）MSC.NASTRAN version 2007，對設備的強度和剛度進行分析及優(yōu)化。

3 設計工況及初步結(jié)果

對整套回轉(zhuǎn)和牽引設備進行強度剛度分析。整套卸貨系統(tǒng)在卸貨時的載荷[1,2]主要包括：1）設備自重載荷；2）貨物起升載荷；3）起重機回轉(zhuǎn)及起升產(chǎn)生的慣性力；4）船舶運動附加載荷；5）風浪載荷。

承受載荷合成及初步結(jié)構(gòu)模型[3]如圖4所示。

圖4 起重系統(tǒng)有限元模型

考慮到設備在不同方位角的工作范圍，從設計角度出發(fā)，本文每隔30度選取一種作業(yè)工況進行分析，如圖5所示。

圖5 起重柱工況

經(jīng)不同工況下計算分析，最嚴重作業(yè)角度結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 0°工況合成應力

圖7 90°工況合成應力

從應力云圖中發(fā)現(xiàn)，在牽引起重柱頂端存在嚴重的應力集中，零度作業(yè)角度工況下尤為嚴重，且起重柱上端區(qū)域應力過大，存在強度不足的工況。在 90度作業(yè)角度工況下起重柱頂端應力狀況較好，但在起重柱與首樓甲板相接的根部位置存在應力集中。因此整套設備的初步設計方案強度和剛度均不滿足行業(yè)法規(guī)要求[2,3]，需對起重柱結(jié)構(gòu)進行改善來增強整套系統(tǒng)的強度和剛度。

4 結(jié)構(gòu)強度優(yōu)化

為有針對性地解決問題，實現(xiàn)對設計目標的優(yōu)化。結(jié)合設備受力情況，對存在主要設計問題的起重柱模型進行簡化。整個牽引起重柱垂向結(jié)構(gòu)由首樓甲板和上甲板做端部固定，可簡化成一個變截面的懸臂梁。而上端為實現(xiàn)同軸回轉(zhuǎn)，水平頂端結(jié)構(gòu)可近似簡化成由垂直結(jié)構(gòu)上端固定的懸臂梁，端部固定程度隨垂直結(jié)構(gòu)的剛度加強而變大[4]。因此作用在起重柱上的載荷對垂直結(jié)構(gòu)形成彎曲扭轉(zhuǎn)綜合變形，而對上端水平結(jié)構(gòu)形成彎曲變形。

將整個模型進行理論簡化后，懸臂梁力學分析[5]如下：

其中：σmax為最大正應力，MPa；M為截面處彎矩，kN·m；ymax為截面最大高度，mm；Ix為截面慣性矩，mm4；τ為剖面剪應力；F為支反力，kN為截面面積靜矩，mm3；b為截面寬度，mm；W為剖面模數(shù)，mm3。

在上端水平結(jié)構(gòu)處，由于端部剖面模數(shù)較小，載荷形成的彎矩使得水平結(jié)構(gòu)的彎曲應力過大，在水平與垂直相交處，由于剖面突變和結(jié)構(gòu)硬點造成應力集中。當設備沿船寬工作時，載荷對垂直結(jié)構(gòu)形成彎曲作用，而對水平結(jié)構(gòu)僅僅存在拉壓作用，因此上端水平結(jié)構(gòu)為單向受拉，在上端界面變化處并未出現(xiàn)應力集中，而在首樓甲板處出現(xiàn)了應力集中。由于起重柱的截面為矩形薄壁，在各個方向上的剖面模數(shù)大小不同，造成整個結(jié)構(gòu)的應力水平的差別也較大[6,8,9]。如起重柱垂直結(jié)構(gòu)剖面在船寬方向的剖面模數(shù)顯然要大于沿船長的方向。但起重柱在首樓甲板處的界面尺寸受貨物傳送帶和錨泊設備位置的限制，無法增大船長方向的截面尺寸。

結(jié)構(gòu)具體改善措施如下：1）水平結(jié)構(gòu)端部增加過渡結(jié)構(gòu)，既可增大水平結(jié)構(gòu)的剖面模數(shù)，又避免形成應力集中點；2）在過渡結(jié)構(gòu)端部為避免形成應力集中，增加兩塊嵌厚板；3）在零度回轉(zhuǎn)工況下，對于水平結(jié)構(gòu)，沿船長增加截面高度可最有效增大該方向剖面模數(shù)，由原來的1.2m改為2.4m；4）針對首樓甲板處應力集中，由于結(jié)構(gòu)、設備布置等限制，在起重柱根部進行局部加厚，首樓甲板與起重柱相交位置也進行局部加厚。

改善后的結(jié)構(gòu)強度分析如圖8、圖9所示。模型最大變形如圖10所示。

圖8 0°工況合成應力

圖9 90°工況合成應力

圖10 模型最大變形

從結(jié)構(gòu)應力水平可看出，起重柱垂直結(jié)構(gòu)上端的應力大大減小，頂端水平處的應力集中也已消除，驗證了結(jié)構(gòu)分析與實際受力的一致性。而回轉(zhuǎn)皮帶機的強度由于基座高度較小，作用在基座上的載荷對基座根部所形成的彎矩和扭矩不大，經(jīng)校核結(jié)構(gòu)強度滿足行業(yè)法規(guī)標準。

5 剛度二次優(yōu)化

從變形圖中可看出，強度已滿足要求，但整個起重柱的變形較大，在頂端達125mm。而下端回轉(zhuǎn)皮帶機的變形和起重柱的變形相反。這樣整個系統(tǒng)的相對撓度相互疊加，使得起重柱的牽引中心和回轉(zhuǎn)皮帶機回轉(zhuǎn)中心嚴重偏移，造成整套設備在回轉(zhuǎn)工作時的不穩(wěn)定性，因此有必要對整套系統(tǒng)進行剛度二次優(yōu)化。

將起重柱剖面進行理論簡化后，整個起重柱撓度沿垂向分布如下：

起重柱端部變形為：

式中：ω為撓度變形，mm；h為截面高度，mm；F為截面處支反力，kN；E為彈性變量；I為剖面慣性矩，mm4。

起重柱界面為薄壁矩形，根據(jù)其剖面和受力特性可簡化為工字鋼端面，沿起吊方向的邊為腹板，與作業(yè)方向垂直的邊為面板。通過變形公式可得出，增加腹板尺寸為增大剖面模數(shù)最有效的手段[7]。結(jié)合總布置圖發(fā)現(xiàn)，起重柱前后端被錨機和貨物傳送帶所限制，這樣使得增加梁截面的腹板高度難度較大。根據(jù)剖面模數(shù)計算原理，本文通過增加腹板厚度來增加整個梁截面的剖面模數(shù)。

此外，結(jié)構(gòu)初步設計時，考慮加強筋自身的彎曲強度和剛度，為增大骨材自身的剖面模數(shù)，垂向圍壁結(jié)構(gòu)選用球扁鋼加強筋。經(jīng)分析后，扶墻材自身強度及剛度均滿足接受標準，但球扁鋼對整個梁截面的剖面模數(shù)貢獻不及扁鋼，且受到骨材規(guī)格的限制。因此將加強筋改為扁鋼，使得型材可不受規(guī)格限制，且扁鋼型材的界面型心距整個梁的面板較近，可以更有效的增大整個梁的剖面模數(shù)。除了改變型材形式，通過增加縱壁來增加剖面腹板的厚度，很好地避免了腹板厚度太大的弊端，具體見圖11所示。

圖11 截面扶強材

起重柱作為簡化的懸臂梁，除梁自身剛度以外，端部固定程度也對梁的變形撓度有較大的影響。從整個模型的變形可得出，起重柱通過上甲板和首樓甲板共同固定，經(jīng)計算對比得出首樓甲板對起重設備起主要端部固定作用。但首樓甲板由于結(jié)構(gòu)限制，使得起重柱后端在垂向自由，根部變形的垂向線性增加造成上部頂端的撓度過大。如端部處理不佳，下邊界的微小位移將造成頂端較大的撓度變形。因此通過進一步根部固定將大大增加整套系統(tǒng)的剛性。結(jié)合設備布置以及結(jié)構(gòu)改善需求，首樓甲板上部被甲板機械設備所限制，無法進行加固。本文選擇在首樓甲板與主甲板之間增加固定艙壁來增加固定端的剛度。

對于起重柱上部結(jié)構(gòu)和水平結(jié)構(gòu)的強度和剛度改善，進一步增大上部結(jié)構(gòu)的腹板高度可有效增大截面的剖面模數(shù)。

6 最終計算結(jié)果

經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的最終計算結(jié)果如圖12所示。工況最大變形如圖13所示。從應力計算結(jié)果看出，整套卸貨設備的合成應力水平已降至規(guī)范接受標準以下[2,3]，滿足強度要求。

圖12 模型最大合成應力

圖13 工況最大變形

經(jīng)過各個回轉(zhuǎn)角度的分析，最大變形仍為 90°作業(yè)工況。從整個有限元模型的變形趨勢可以看出，垂向結(jié)構(gòu)在首樓甲板處的變形為3mm，可近似認為剛性固定，經(jīng)整個模型變形的線性增長，到折角高度處增加至 26mm。在頂端水平結(jié)構(gòu)，中間位置為 62.3mm,接近前后端變形的平均水平?？紤]到上部結(jié)構(gòu)的剛性，前后的變形差異主要由于整個垂向結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)造成。前端變形為彎曲和扭轉(zhuǎn)形的疊加變，后端為彎曲和扭轉(zhuǎn)相減變形?？梢缘贸鲈谧畲笞冃喂r中，彎曲大約貢獻62mm的變形，扭轉(zhuǎn)大約形成5mm的變形[4]。

7 結(jié)論

本文通過模型簡化，采用力學理論分析與有限元相結(jié)合的手段，對整套卸貨設備強度和剛度進行強度和剛度分析并進行優(yōu)化，有針對性的提出了多項結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，為后續(xù)相關(guān)起重設備的結(jié)構(gòu)設計及優(yōu)化提供了有利參考。

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Studies of Self-Unload System on Bulk Carrier Based on FEM

WANG Yan-long1, WANG Gui-yun2, LI Zun-wei3
(Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266001, China)

In order to prove the safety and reasonability of the structure of transloader equipment, the paper gives strength and deformation analysis for transloader equipment in multiple operating condition based on FEA. Consequently, the load performance and deform trend of the equipment are elaborated to provide some reference for the future design of similar equipment.

transloader equipment; strength; stiffness; FEM

U661.43

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.010

王艷龍（1985-），男，碩士，主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設計及結(jié)構(gòu)計算。