張 健， 昌 滿， 何文心

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

海上過駁平臺全船強度計算及基座結構加強方案

張 健， 昌 滿， 何文心

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

以一艘典型的非自航式海上過駁平臺為研究對象，選取6種典型作業(yè)工況，應用結構強度直接計算方法，獲得船體各結構的應力和變形分布規(guī)律。通過對起重機基座與主甲板、中縱艙壁的交匯處等高應力區(qū)域的局部強度進行計算分析，得到基座結構響應、應力分布特點及最危險的作業(yè)形式，提出3種結構加強方案并進行比較研究。研究成果可以為海上過駁平臺的結構設計提供依據(jù)。

海上過駁平臺;結構強度;加強方案

0 引言

海上過駁平臺是一種以船舶為載體，可自航或通過拖船輔助航行至目的地，并通過船上配備的裝卸船設備開展散料轉運的作業(yè)平臺[1]。如圖1所示，海上過駁平臺是真正意義上的“海上移動碼頭”，一次靠泊就能全程連續(xù)地裝卸作業(yè)，裝卸船過程中無移泊、無等待，在不改變原有碼頭的泊位能力和不增加海上運輸成本的基礎上實現(xiàn)大船上的散料通過海上過駁平臺倒運到小船進港，將小船上的散料倒運到大船上出港。海上過駁平臺由于其自身的工作特點，工作時易受到風、浪、流等復雜環(huán)境載荷和起重機、帶式傳送系統(tǒng)、裝船機等上部多重構件工作載荷的聯(lián)合作用，易出現(xiàn)過駁平臺總體受力大、局部受力集中且分布不均的情況。因此，作為一種新型的海上工程作業(yè)船舶，為保證海上過駁平臺能正常工作，有必要對其全船及基座結構強度進行研究。

圖1 海上過駁平臺

1 全船有限元強度分析

由于海上過駁平臺是一種新型工程船舶，相關規(guī)范中對如何進行該型船舶的結構強度計算尚無明確規(guī)定。本文在參考其他相近船舶結構計算方法的基礎上，結合該型船舶的實際情況，確定全船有限元結構強度計算方法。

全船有限元模型如圖2所示。運用一款大型船舶CAD軟件——NAPA軟件建立了船體濕表面(船舶水線以下部分)模型，計算得出船舶的重力與浮力分布，依據(jù)坦谷波理論施加各工況相應的波浪要素并通過改變波峰或波谷與船舶的相對位置，計算出船舶在靜波浪中的平衡位置，進而繪制出船舶在中拱、中垂狀態(tài)下的波浪曲線，將其擬合而成函數(shù)曲線便是全船有限元舷外水壓力[2-3]。計算半波高為2.98m，波長取船長114.8m。對于起重機、臂架等部件，按風力引起的彎矩施加于基座中心處質量節(jié)點上，選取縱向吊重的風載荷為X方向，橫向吊重的風載荷為Y方向(該方向計算后應力偏危險)[4]。此外，還需考慮船舶自重、貨物載荷、各艙內液態(tài)載荷對船體的影響。

圖2 全船有限元模型

計算涉及海上過駁平臺縱向吊重100t出港、橫向吊重60t出港2種危險作業(yè)狀態(tài)以及靜水、迎浪中拱、迎浪中垂3種波浪條件，組成6種工況作為海上過駁平臺的計算工況。各工況下船體各構件VonMises應力結果如表1所示，部分應力云圖如圖3和圖4所示。

表1 不同波浪條件下船體結構的 Von Mises 應力計算結果 MPa

圖3 LC1主甲板應力云圖

圖4 LC2橫艙壁應力云圖

海上過駁平臺在計算的6種工況下，船體各構件的相當應力值均在規(guī)范要求的許用應力范圍內，基座甲板、中縱艙壁的應力值相比其他構件較大，且高應力區(qū)域位于起重機基座與主甲板、中縱艙壁的交匯處，這是由于基座承受著起重機自重、貨物吊重以及傾覆力矩，從而導致局部應力較大。

2 起重機基座結構局部強度分析

由以上計算可知，海上過駁平臺高應力區(qū)域主要集中在起重機基座與主甲板、中縱艙壁的交匯處，因此有必要再對起重機基座結構局部強度進行計算分析。

2.1 基座有限元模型

按《船舶與海上設施起重設備規(guī)范(2007)》要求選取船首部從Fr130～Fr184的區(qū)域，總長為33.75m，其中基座區(qū)域為Fr144～Fr168，模型如圖5所示。為了更好地觀察結構高應力部位的應力響應，將基座穿過甲板的區(qū)域進行適當網(wǎng)格細化，取為原網(wǎng)格尺寸的1/3或1/4[5-6]。

圖5 基座有限元模型

2.2 邊界條件及載荷工況

根據(jù)規(guī)范邊界條件可考慮自由支持或固支。在模型Fr130端面施加剛性固定約束?；Y構設計載荷主要包括起重機的傾覆力矩和自重載荷，載荷通過基座傳遞到支撐結構上。選取最大吊重100t作為計算工況。此時，起重機起吊重量和自身重量之和為3.43×106N，傾覆力矩為2.9×107N·m，風傾力矩為6.47×105N·m。

對于設備自重及吊重采用MPC(Multi-PointConstraints)的方式施加，以貨物和設備自重的重心為獨立點，將圓筒端部節(jié)點與之耦合形成剛性區(qū)域，在獨立點上直接施加相應重力。風載荷的施加與重力施加類似，首先在圓筒頂端中心處建立獨立點，關聯(lián)圓筒端部節(jié)點，然后在獨立點上直接施加壓力和力矩[7]。

由于通常起重機正常工作時為全回轉作業(yè)，傾覆力矩的方向在水平面內變化，文中選取部分具有代表性的方位角作為計算工況，其中方位角β為吊臂與船長指向船首方向的夾角。

工況1：方位角β=0°，起重機沿船首方向與中縱平行；

工況2：方位角β=45°，起重機沿船首方向與中縱成45°，偏向舷外；

工況3：方位角β=90°，起重機與中縱方向夾角為90°，指向左舷；

工況4：方位角β=135°，起重機沿船首方向與中縱夾角為145°；

工況5：方位角β=180°，起重機沿船首方向與中縱夾角為180°。

2.3 計算結果分析

如表2和圖6、圖7所示，計算的回轉起重機基座結構中縱艙壁在工況3下應力值為262MPa，超出許用應力值，且在其他工況下應力值都較大，其余構件結構強度滿足規(guī)范要求。應力集中位置主要集中在基座與周圍船體構件搭接的位置上?；鶊A筒支撐和基座甲板結構應力值較大，這是由于這些構件直接承受著起重機自身設備、起吊貨物的重量和重量所產生的傾覆力矩以及風載荷的作用。甲板下圓柱筒、中縱艙壁、132#橫艙壁的應力值較大，這是由于這些構件位于基座甲板正下方，需要將基座圓筒支撐的力有效傳遞到船底板上。

通過表1和表2可知海上過駁平臺在吊重出港不同波浪下船體各構件強度滿足規(guī)范要求，然而在起重機與中縱方向夾角為90°，指向左舷起吊時，中縱艙壁強度不滿足規(guī)范要求，因此需要對起重機基座結構進行加強。

表2 不同方向起重時船體結構的Von Mises應力計算結果 MPa

圖6 甲板以上圓筒基座應力云圖(工況 3)

圖7 甲板以下圓柱筒應力云圖(工況3)

3 起重機基座結構加強方案研究

針對高應力區(qū)域主要集中在基座圓筒支撐與甲板下橫艙壁及縱艙壁的交接處現(xiàn)象， 從結構形式和構件尺寸2個方面考慮，對此處結構的薄弱部位采取3種方案進行結構加強，如圖8所示。

圖8 3種方案有限元模型

方案1：保持圓筒基座結構形式，加板厚10mm；

方案2：在圓筒基座結構外側增設8塊肘板并對稱分布；

方案3：在圓筒基座結構內側增設橫豎橫隔板，其中板厚為12mm。

對3種改進方案的結構強度直接進行計算，選取了應力較大構件中縱艙壁、132#橫艙壁、基座圓筒支撐、甲板下圓柱筒的應力值，并與原方案應力結果進行比較分析，如表3～表6所示。

表3 中縱艙壁各方案應力結果比較

表4 132#橫艙壁各方案應力結果比較

表5 基座圓筒支撐各方案應力結果比較

表6 甲板下圓柱筒各方案應力結果比較

由表 3～表6可知，3 種加強方案加強后，原先應力超出許用范圍的中縱艙壁應力值現(xiàn)滿足規(guī)范要求，基座圓筒支撐、甲板下圓柱筒、132#橫艙壁等應力值較大的船體構件在加強后其應力值明顯減小。這說明3種加強方案都合理，可以達到此次結構加強的目的。

與方案1相比，方案2和方案3改進效果較好。方案2中雖然增設肘板對圓筒基座本身的應力有所改善，但在肘板處會出現(xiàn)應力集中；而方案3中增加縱橫橫隔板不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，說明縱橫橫隔板與周圍鄰近的加強構件有很好連接，有利于力的傳遞與分散，從而有效降低各構件的最大應力值。綜合比較，方案3是優(yōu)選結構形式，說明起重機基座支撐結構采用縱橫橫隔板加強結構具有較好的結構強度。

4 結論

本文對海上過駁平臺全船結構和基座結構局部強度進行了研究，結論如下：

(1) 船體各構件的VonMises應力和剪切應力均滿足規(guī)范強度要求，說明本船結構設計合理，對類似船舶如起重船、駁船等船體優(yōu)化設計和強度評估具有一定的參考價值。

(2) 高應力區(qū)域主要集中在起重機基座與主甲板、中縱艙壁和基座圓筒支撐的交匯處，這是由于基座局部集中載荷較大，包括起重機自重、貨物吊重以及傾覆力矩，因此在今后進行船體結構優(yōu)化設計時，應重點對該區(qū)域進行局部強度校核，必要時應進行結構加強。

(3) 基座結構局部強度的最大應力值主要發(fā)生在90°工況，相比180°的工況應力值要大，說明支撐結構船寬方向的強度較船長方向的強度差，起重機最危險的作業(yè)形式為吊臂沿船寬方向作業(yè)。

(4) 綜合比較，從強度而言方案3為最優(yōu)方案，說明縱橫橫隔板與周圍鄰近的強構件有很好連接，有利于力的傳遞與分散，從而有效降低各構件的最大應力值。

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StrengthCalculationofWholeShipandStrengtheningProgramof
BaseStructure

ZHANGJian，CHANGMan，HEWenxin

(SchoolofNavyArchitectureandOceanEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang212003,Jiangsu,China)

Atypicalnon-self-propelledoffshorelighteringplatformisstudied,andsixtypicaloperatingconditionsareselected.Thestructuralstrengthdirectcalculationmethodisused.Thehullstructurestressandthelawofthedeformationdistributionareobtained.Throughcalculatingthelocalstrengthofthemaindeckandthecranebase,theintersectionoflongitudinalbulkheadstructures,whichwerehighstressareas,thebasestructureresponse,stressdistributionandthemostdangerousworkformsareobtained.Threekindsofstructurestrengtheningprogramsareproposedandacomparativestudyismade.Researchfindingsmayprovidethebasisforthestructuraldesignofoffshorelighteringplatform.

offshorelighteringplatform;structuralstrength;strengtheningprogram

張 健(1977-)，男，博士，副教授，研究方向為船舶與海洋工程結構抗沖擊性能。

1000-3878(2017)01-0027-07

U

A