秦言明，俞伊姍

（1.浙江歐華造船股份有限公司，浙江舟山 316101；2.浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江舟山 316022）

自卸式運砂船輸送臂基座及掛臂結構強度分析

秦言明1，俞伊姍2

（1.浙江歐華造船股份有限公司，浙江舟山 316101；2.浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江舟山 316022）

利用MSC/Nastran軟件，通過施加載荷和限定邊界條件，針對四種典型工況，對加強后的自卸式運砂船輸送臂基座及掛臂結構強度進行了有限元分析。有限元分析結果表明，加強后的應力結果能夠滿足設計要求，并呈現出了比較合理的應力分布。通過有限元分析得到的結論對同類型輸送臂基座及掛壁結構的設計和強度分析有一定的參考價值。

掛臂；結構強度；有限元分析

近年來，隨著我國經濟的高速發(fā)展，工程建設市場也隨之迅猛發(fā)展，對砂石的需求也日益增長，砂石運輸船舶數量、運量逐年增長，其中自卸式運砂船的發(fā)展尤為迅猛。自卸式運砂船的結構、布置與常規(guī)的運砂船存在很大的區(qū)別，是一種存在較大安全風險的船舶[1]。

輸送臂基座及掛臂結構是自卸式運砂船上重要的受力結構，因此其結構設計的好壞很大程度上影響著運沙船的作業(yè)質量和安全[2]。本文根據《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》[3](以下簡稱規(guī)范)要求在對一首典型的自卸式運沙船進行有限元分析時，發(fā)現在船體羅經甲板前端壁中部，居住甲板前端壁及側壁處出現了較大的應力集中。根據結構響應的特點，本文對應力集中的危險區(qū)域提出了加強措施，并采用MSC.PATRAN/NASTRAN軟件對加強后的設計建立模型并進行分析[4]，以期為同類型輸送臂基座及掛壁結構的設計和強度分析提供參考依據。

1 有限元模型及加強說明

1.1 有限元模型

自卸式運砂船主要參數：船體總長93.2 m；結構計算船長89.0 m；型寬16.0 m；型深6.4 m；吃水4.9 m。根據圖紙資料及規(guī)范要求，縱向選取肋位Fr-3～肋位Fr28，橫向選取整個船寬，垂向選取尾升高甲板下29 50 mm至上層建筑頂端為計算有限元模型范圍。主船體各構件采用板或梁單元模擬、掛臂吊點采用體單元模擬。坐標系統采用右手坐標系，原點位于船中尾升高甲板上（肋位#19），x軸向船首為正方向，y軸向左舷為正方向，z軸向上為正方向。四種工況下的有限元模型見圖1。

圖1 有限元模型Fig.1 FEM model

1.2 設計加強說明

根據有限元分析的結構響應，為滿足結構的強度要求，需要對結構做出加強?？紤]不過多增加施工的難度及建造成本[5]，現將羅經甲板前端壁中部扶墻材尺寸由L90×56×8改為T型材見圖2a。居住甲板前端壁距中2 100 mm處扶墻材尺寸由原改L125×80×8為L160×100×12，見圖2b。居住甲板側壁位于FR7肋位處扶墻材尺寸由原L75×50×5改為L125×50×10，見圖2c（圖中僅顯示右舷，左舷應對稱加強）。

圖2 結構加強圖Fig.2 Structural strengthening diagram

2 載荷及邊界條件處理

各部件所用鋼材為普通鋼,計算中取材料的物理特性參數為：彈性模量（E）：2.06×105N/mm2,泊松比（μ）：0.3，密度（ρ）：7.85×10-9t/mm2。模型的兩端邊界條件采用自由支持。

在運砂船裝卸工作下需要轉動掛臂，考慮到結構及載荷的對稱性，計算中選取輸送臂與x軸分別成0°、90°，每種工況分別選取大梁拉起微小角度與大梁拉起10°兩種工況共（2×2）四種工況對輸送臂基座及掛臂結構強度進行分析和校核。

本文在計算工況載荷時考慮了輸送臂主副橋的自重、上下皮帶自重、主橋卷揚機自重及輸送時的河沙重。考慮到河砂輸送過程中的輸送載荷及安全系數的設定等，本文取1.4的載荷系數[6]。主橋卷揚機自重以均布力的形式加在主橋尾部，其余各力均以均布力的形式施加在整個輸送臂上。最后在輸送臂模型上讀取所需的輸送臂基座受力及掛壁吊點受力。各載荷具體數值見表1。輸送臂基座及掛臂吊點上的載荷均以建立MPC點的形式進行施加。

表1 各工況計算載荷Tab.1 Load cases

3 計算結果及分析

3.1 許用應力強度衡準

根據規(guī)范要求，按照以下衡準對計算結果進行校核。

3.2 輸送臂基座及掛臂結構計算結果

通過有限元計算，可知輸送臂及掛臂結構在各工況下的相應最大應力及變形值見表2。從表2可以看出各項應力均在工況一下呈現最大值，工況一的變形及應力云圖見圖3～6。

表2 最大應力及變形值Tab.2 The maximum stress and deformation

3.3 討論及分析

應力計算結果表明：(1)在四種工況下，輸送臂基座及結構應力均小于許用應力，變形量較小，符合設計要求；（2）應力及變形的最大處均出現在掛臂的吊耳處，這是因為輸送臂在工作時，變幅約束及工作載荷主要作用在掉頭上，導致該部位的應力及變形較大；（3）加強后，應力及變形呈現了合理的分布。對于原來四個應力集中，強度不符合要求的地方，經過結構加強后，均有了很大的改善，說明了本文對該設計的加強是合理有效的。

圖3 變形圖（mm）Fig.3 Deformation

圖4 甲板及艙壁表面等效應力云圖（MPa）Fig.4 Von Mises stress of deck and bulkhead

圖5 梁系的最大組合應力云圖（MPa）Fig.5 Bar maximum combined stresses

圖6 梁系的最小組合應力云圖（MPa）Fig.5 Bar minimum combined stresses

4 結語

本文通過MSC/Nastran軟件，對不符合強度要求的自卸式運砂船輸送臂基座及掛臂結構進行了結構優(yōu)化加強，并對加強后的結構進行了有限元分析。分析結果表明優(yōu)化后的結構滿足規(guī)范要求，本文提出的優(yōu)化加強是有效可行的，為以后類似結構的設計和加強提供了思路。除此之外，本文計算的四種工況結果表明，掛臂的吊耳是整個結構的關鍵部位，在自卸式運砂船的設計時應該充分考慮載荷，并做適當的加強。

[1]劉利瀟.關于海上自卸運砂船結構若干問題的研究[J].船舶標準化與質量,2015(3):43-45.

[2]楊家軍,王建波,張盛華.四種工況下挖泥船吊機的有限元分析[J].現代機械,2012(6):44-47.

[3]中國船級社.船舶與海上設施起重設備規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2007.

[4]張曉君.基于Nastran的船舶局部強度有限元分析[J].浙江海洋學院學報:自然科學版,2006,25(3):295-300.

[5]胡學明,嚴 剛.船體結構加強的實踐[J].湖南交通科技,2008,34(3):143-146.

[6]朱遠臻.內河自卸砂船伸縮型輸送帶裝置的研究[D].廣州:華南理工大學,2012.

Strength Analysis of the Arm and Its Base of A Tipper

QIN Yan-ming1,YU Yi-shan2
（1.Zhejiang Ouhua Shipbuilding Co LTD,Zhoushan 316101；2.School of Naval Architecture and Mechanical-electrical Engineering，Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China）

Using MSC/Nastran software,the strength of the arm and its base of tipper are analyzed by applying the load and the boundary condition.The finite element analysis is carried out for the four typical working conditions.The results of finite element analysis show that the stress results can meet the design requirements and show a reasonable stress distribution.The conclusion obtained by the finite element analysis has certain reference value for the design and strength analysis of the same kind of transport arm base and wall structure.

boom；strength；finite element analysis

U674.134.1

A

1008－830X(2017)03－0278－04

2017-02-14

秦言明（1963-），男，浙江舟山人，高級工程師，研究方向：船舶建造工藝技術.