趙君龍，覃剛，王強(qiáng)

SOC(特種)型海事起重機(jī)桁架式臂架強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析

趙君龍，覃剛，王強(qiáng)

根據(jù)ABS船級(jí)社《Guide for Certification of Lifting Appliances》，對(duì)SOC海事起重機(jī)桁架式臂架結(jié)構(gòu)的軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性進(jìn)行校核。闡述了UC值校核的基本原理和一般流程。

SOC起重機(jī)；結(jié)構(gòu)分析；UC值；有限元法

海上吊機(jī)是海上石油勘探和開(kāi)采，遠(yuǎn)洋貨物運(yùn)輸和轉(zhuǎn)移，海上事故救援，平臺(tái)安裝拆卸和轉(zhuǎn)移等作業(yè)活動(dòng)的重要輔助設(shè)備。

對(duì)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)性能、穩(wěn)定性進(jìn)行校核和評(píng)估，不同國(guó)家，不同船級(jí)社各有準(zhǔn)則和規(guī)范[1-4]。被廣泛采用的規(guī)范主要有API的《Specification for offshore Pedestal Mounted Cranes》(API .2C.7th)、ABS的《Guide for Certification of Lifting Appliances》、CCS的《Rules for Lifting Appliances of Ships and Offshore Installations》、BV船級(jí)社的《Rules for the Certification of Lifting Appliances Onboard Ships and Offshore Units》、LR船級(jí)社的《Code for Lifting Appliances in a Marine Environment》、F.E.M標(biāo)準(zhǔn)《Rules for the Design of Hoisting Appliances》、British Standard《Code for The Design of Cranes》、DNV《Lifting Appliances》，以及GB3811等。擬參照ABS規(guī)范，對(duì)某300 t SOC型海事起重機(jī)的桁架式臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。

1 300 t起重機(jī)概況

該300 t吊機(jī)為SOC(特種)型海事起重機(jī)。由基柱組件、塔身組件、臂架組件、主起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、穩(wěn)索絞車(chē)組件、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)等組成，具有主起升、副起升、變幅、回轉(zhuǎn)、穩(wěn)索等操作能力。主鉤起吊能力300 t，副鉤起吊能力10 t。最大工作半徑55.5 m，最小工作半徑9 m。臂架結(jié)構(gòu)采用桁架式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要由板梁結(jié)構(gòu)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)360°范圍的回轉(zhuǎn)。典型A字架式起重機(jī)示意見(jiàn)圖1。300 t起重機(jī)臂架參數(shù)見(jiàn)表1。桁架結(jié)構(gòu)幾何模型見(jiàn)圖2。

臂架總長(zhǎng)/mRmax/mRmin/m起升高度/m最大起重量/t5855．5970300

2 計(jì)算工況

桁架式起重機(jī)的主鉤起吊工況具有船內(nèi)、船外作業(yè)模式，作業(yè)浪高分為2 m和0.4 m。作業(yè)工況主要包含動(dòng)態(tài)船內(nèi)2 m波高正吹正傾，動(dòng)態(tài)船內(nèi)2 m波高側(cè)吹側(cè)傾，及動(dòng)態(tài)船外0.4 m正吹正傾，動(dòng)態(tài)船外0.4 m側(cè)吹側(cè)傾等工況。船內(nèi)正吹正傾時(shí)，無(wú)側(cè)載，但是船外正吹正傾時(shí)，考慮到起吊船和目標(biāo)船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在總體計(jì)算時(shí)，臂架頭部是承受側(cè)載的。計(jì)算工況見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算工況明細(xì)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 強(qiáng)度校核

不同規(guī)范的應(yīng)力校核的計(jì)算方法和準(zhǔn)則不盡相同，但基本原理相同[5-6]。主要對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、局部穩(wěn)定性以及整體穩(wěn)定性進(jìn)行校核。以受壓桿件的軸向許用應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及組合應(yīng)力校核為例，不同規(guī)范下的校核準(zhǔn)則對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 不同設(shè)計(jì)規(guī)范校核準(zhǔn)則對(duì)比

1)根據(jù)ABS規(guī)范，桁架結(jié)構(gòu)的綜合許用應(yīng)力不超過(guò)其屈服值的0.6，綜合應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3。

300 t桁架式起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

MPa

由表4可見(jiàn)，在同樣海況下，中間幅度(15 m變幅)，桁架結(jié)構(gòu)的綜合應(yīng)力值最大。原因是與變幅9 m相比，雖然起重量相同，但是重物產(chǎn)生的力臂增加，導(dǎo)致變幅繩索上的張力增加。兩者合力導(dǎo)致的軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力也隨之增加。55 m變幅下，重物的力臂增加，導(dǎo)致彎曲應(yīng)力增加。但是起重量與9 m變幅及15 m變幅相比，有了大幅度的下降。同時(shí)，臂架的傾角減小，導(dǎo)致沿臂架方向上的合力減小，軸向壓應(yīng)力減小。同樣變幅條件下，危險(xiǎn)工況主要集中在船內(nèi)工況，與船外工況比，船內(nèi)工況的變幅繩張力增加，導(dǎo)致軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力均增加。因此需要對(duì)中間幅度下桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行重點(diǎn)的校核。

3.2 局部穩(wěn)定性校核

對(duì)于桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性校核主要通過(guò)2個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量：①軸向應(yīng)力低于軸向許用應(yīng)力；②組合應(yīng)力校核(unity check,UC)的UC值小于1。

由于篇幅有限，主要對(duì)15 m變幅下的桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性校核和分析，局部穩(wěn)定性UC值校核見(jiàn)表5。值得注意的是，在靜態(tài)工況時(shí)，采用了0.75倍的許用應(yīng)力修正系數(shù)。工況5應(yīng)力分析見(jiàn)圖4。

表5 局部穩(wěn)定性UC值校核

3.3 桁架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性校核

應(yīng)校核在臂架平面和垂直平面的穩(wěn)定性，與局部穩(wěn)定性計(jì)算方法相同，都需要進(jìn)行軸向許用應(yīng)力校核及彎曲應(yīng)力校核。與局部穩(wěn)定性計(jì)算相比，在長(zhǎng)細(xì)比的計(jì)算方式上，整體穩(wěn)定性校核的長(zhǎng)細(xì)比等于臂架的有效長(zhǎng)度除以臂架的有效回轉(zhuǎn)半徑，計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

關(guān)于臂架有效長(zhǎng)度系數(shù)的選取，參照British Standard《BS2375_1983—Rules for design of cranes》中的相關(guān)規(guī)定。

le=kL

(1)

式中：le為臂架有效長(zhǎng)度，mm；L為臂架實(shí)際長(zhǎng)度，mm；k為長(zhǎng)度系數(shù)，根據(jù)兩種情況確定。

臂架變幅平面內(nèi)，認(rèn)為臂架兩端鉸支，k=1，在臂架平面內(nèi)，臂架可作為根部固定，頭部的移動(dòng)受到起升鋼絲繩和變幅鋼絲繩的部分限制，臂架尺寸代號(hào)見(jiàn)圖6。系數(shù)k為

(2)

臂架有效回轉(zhuǎn)半徑re為

(3)

式中：A為構(gòu)件截面積，mm2；Ie為有效慣性矩，mm4；I0為構(gòu)件截面的最大慣性矩，mm4；m根據(jù)I1/I0插值計(jì)算得來(lái)。

整體穩(wěn)定性校核見(jiàn)表6。

4 結(jié)論

表6 整體穩(wěn)定性校核表

1)最小變幅情況下，桁架結(jié)構(gòu)軸向壓應(yīng)力很大，彎曲應(yīng)力較?。蛔畲笞兎闆r下，力臂長(zhǎng)，起重噸位受限，導(dǎo)致彎曲應(yīng)力大，軸向壓縮應(yīng)力偏小；在中間幅度下，起重量與最小幅度相同，但是彎曲應(yīng)力增加顯著，因此需要重點(diǎn)進(jìn)行關(guān)注。

2)與傳統(tǒng)傳統(tǒng)有限元分析(ANSYS等)只能提取結(jié)構(gòu)的軸向應(yīng)力、綜合應(yīng)力不同，在UC校核中，各成分的應(yīng)力不是簡(jiǎn)單的疊加，而是根據(jù)應(yīng)力的種類(lèi)、作用匹配不同的應(yīng)力系數(shù)。同時(shí)，傳統(tǒng)有限元的穩(wěn)定性分析得出的特征值無(wú)法在船級(jí)社規(guī)范中找到具體明確的規(guī)范支撐，而UC值校核，很好地契合了船級(jí)社規(guī)范的規(guī)定和要求。

[1] British Standard BS2375.1983(Code for the design of cranes)[S].London South Bank University, 1980.

[2] 美國(guó)船級(jí)社.Guide for certification of lifting appliances[S]. Housiton.ABS, 2014.

[3] 中國(guó)船級(jí)社.Rules for lifting appliances of ships and offshore installations[S].北京.CCS,2007.

[4] BV船級(jí)社.Rules for the certification of lifting appliances onboard ships and offshore units[S].BV.

[5] 王貴彪，王偉，謝永和.120 t起重船扒桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析[J].船海工程，2015,44(1):33-36.

[6] 陳南華，李艷珍.150 t起重船A型吊臂結(jié)構(gòu)有限元分析[J].船海工程，2013,12(6):29-32.

(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

Strength and Buckling Analysis of the Lattice Boom for the SOC Offshore Crane

ZHAO Jun-long, QIN Gang, WANG Qiang

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

The axial stress and bending stress of a SOC offshore crane’s lattice boom was calculated according to the Guide for Certification of Lifting Appliances of ABS. The local stability of members of the lattice boom and global stability of the whole structure were also assessed. The general principle and procedures of assessment by UC values were introduced also.

SOC crane; structural analysis; UC value; FEM

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.030

2016-07-14

趙君龍(1985—)，男，碩士，工程師研究方向:數(shù)字化仿真CAE

U664.4

A

1671-7953(2017)01-0122-04

修回日期：2016-08-23