盧龍文，蘇羅青，蘭 亮

（廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，廣州510250）

1 前言

重慶某綜合救緩船，主要擔(dān)負(fù)重慶長(zhǎng)江干流及其支流水域船舶、港口岸邊和碼頭水上設(shè)施的滅火搶險(xiǎn)和應(yīng)急救援任務(wù)，可對(duì)岸供水，并可對(duì)遇險(xiǎn)船舶進(jìn)行消防、搶險(xiǎn)救援、綁拖、頂推等救助功能。

船用吊機(jī)，主要用于船上貨物的運(yùn)輸轉(zhuǎn)移、海上補(bǔ)給、水下作業(yè)設(shè)備的投放與回收等重要任務(wù)。吊機(jī)區(qū)域內(nèi)船體支撐結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度對(duì)吊機(jī)安全生產(chǎn)作業(yè)至關(guān)重要。本文以重慶某綜合救緩船吊機(jī)基座為例,結(jié)合首樓甲板區(qū)域處吊機(jī)布置特點(diǎn)對(duì)基座及其支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并建立吊機(jī)區(qū)域船體結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型進(jìn)行仿真分析，對(duì)吊機(jī)基座設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

2 船舶概況

本船為電力推進(jìn)、雙機(jī)、雙槳、雙舵、單體專業(yè)消防船。主船體為前傾式船首、方尾、單底（局部為雙層底）、單甲板、長(zhǎng)首樓、混合骨架式結(jié)構(gòu)；航行于內(nèi)河B、C 級(jí)航區(qū)、J1 航段，航行區(qū)域覆蓋重慶長(zhǎng)江航段，可上溯至瀘州、宜賓并可進(jìn)入嘉陵江北碚段執(zhí)行任務(wù)。船體結(jié)構(gòu)按中國船級(jí)社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)及最新修改通報(bào)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)；主船體和首樓材料采用CCS-A 級(jí)鋼，首樓甲板上甲板室采用鋁合金材料，甲板室與首樓甲板采用鋁-鋁-鋼復(fù)合材料過渡接頭連接。

本船主尺度如下：

船 長(zhǎng) 60.00 m

垂線間長(zhǎng) 54.69 m

型 寬 13.00 m

型 深 4.50 m

設(shè)計(jì)吃水 2.60 m

最大航速 28 km/h

本船在首樓甲板船中#44 處設(shè)一臺(tái)25 t.m 液壓伸縮吊機(jī)，主要用于沖鋒舟、吊欄等設(shè)備和物品的吊放回收作業(yè)，吊欄可用于消防隊(duì)員登乘被救援船舶實(shí)施內(nèi)攻滅火。其中，吊機(jī)和吊欄設(shè)置快速連接接頭，確保吊欄與吊機(jī)快速連接和解脫。液壓吊機(jī)布置圖，見圖1 和圖2, 液壓吊機(jī)載荷見表1。

表1 液壓吊機(jī)甲板負(fù)載

圖1 液壓伸縮吊側(cè)視圖

圖2 液壓伸縮吊俯視圖

3 吊機(jī)基座結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)吊機(jī)實(shí)際位置，結(jié)合首樓甲板下圍壁的特點(diǎn)，吊機(jī)基座設(shè)計(jì)為圓筒形艙壁，從首樓甲板延伸到主甲板；圓筒艙壁與首樓甲板后端壁相交，圓筒艙壁升出首樓甲板500 mm 與吊機(jī)設(shè)備對(duì)接；筒體中心在主甲板處設(shè)置強(qiáng)橫梁和甲板縱桁；圓筒艙壁在吊臂逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)并與船首正方向夾角0°、 45°、 90°、 135°、180°、 225°、 270°、315°處設(shè)垂直桁；并對(duì)支撐筒體的主甲板、筒體處的首樓甲板、首樓甲板后端壁等進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)。

本船吊機(jī)基座初步設(shè)計(jì)了三個(gè)方案，見圖3 所示。

圖3 吊機(jī)基座及其支承結(jié)構(gòu)形式

比較三個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)：方案一為筒體內(nèi)首樓甲板保留。其優(yōu)點(diǎn)是保留首樓甲板完整性，缺點(diǎn)是首樓甲板下筒體艙壁形成密閉空間，施工困難，不利于檢修和電纜、管線布置；方案二和方案三為筒體內(nèi)首樓甲板取消。優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)形成死空間，利于施工和電纜、管線的布置，缺點(diǎn)是需在首樓甲板筒體艙壁處開孔；考慮方案二基座肘板可能會(huì)影響通道，且不利于設(shè)備筒體與圓筒艙壁對(duì)接，根據(jù)船東及船廠的意見，本船最終采用方案三。

4 強(qiáng)度校核

4.1 支承圓筒艙壁

支承圓筒艙壁按《規(guī)范》要求，支承起重機(jī)的甲板下方一般應(yīng)設(shè)置圓筒形艙壁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并按下述規(guī)定校核其強(qiáng)度:

（1）圓筒艙壁的工作應(yīng)力σ，應(yīng)分別符合下列兩式：

式中 ：ReH——鋼的屈服極限， N/mm2；

β——系數(shù)，按《規(guī)范》表10.9.3.1 確定；

σcr——圓筒壁板的臨界應(yīng)力， N/mm2。

圓筒的工作應(yīng)力許用值計(jì)算結(jié)果，見表2。

表2 圓筒的工作應(yīng)力許用值

（2）各種起重工況下圓筒艙壁的工作應(yīng)力σ，按下式計(jì)算：

式中 ：P ——起吊重量， t；

W ——起重設(shè)備自重， t；

l——起吊重量的重力作用線距圓筒中心的距離，m；

M0——起重機(jī)的平衡力矩， kN·m；

R ——圓筒中面半徑， mm；

t ——圓筒壁厚， mm。

圓筒艙壁的工作應(yīng)力σ 計(jì)算結(jié)果，見表3。

表3 圓筒艙壁的工作應(yīng)力

由表2 和表3 計(jì)算結(jié)果可知，圓筒艙壁的工作應(yīng)力滿足《規(guī)范》要求。

4.2 局部強(qiáng)度

許用應(yīng)力應(yīng)符合《規(guī)范》要求：圓筒艙壁板單元的許用相當(dāng)應(yīng)力[σe]=155 MPa； 筒體桁材的腹板單元的許用相當(dāng)應(yīng)力[σe]=135 MPa；筒體桁材的面板梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)合成應(yīng)力[σz]=128 MPa。

4.3 屈曲強(qiáng)度

根據(jù)《規(guī)范》要求，采用有限元方法對(duì)該圓筒艙壁和圓筒艙壁垂直桁進(jìn)行屈曲強(qiáng)度校核。

板格的屈曲強(qiáng)度校核應(yīng)考慮圓筒艙壁單向壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，出于保守考慮，選取兩邊受壓且大小相等，以板的中面應(yīng)力進(jìn)行屈曲強(qiáng)度校核。

根據(jù)有限元分析結(jié)果，提取所校核板格周界上的應(yīng)力，并按下式確定板格屈曲計(jì)算的工作應(yīng)力σx：

式中 ：σx0——有限元計(jì)算所得的板格周界上的應(yīng)力；

t0——有限元計(jì)算中所使用的原始板厚值；

tr——計(jì)算板格的折減值。

將σx代入下兩式中進(jìn)行校核：

式中 ：λ——屈曲安全因子，板格的屈曲強(qiáng)度應(yīng)滿足λ ≥ 0.8 要求；

σxcr——板格的臨界屈曲應(yīng)力， N/mm2；

σx——板格屈曲計(jì)算中的工作應(yīng)力， N/mm2；

k2——系數(shù)；

τxy——板格屈曲計(jì)算中的板格剪切應(yīng)力， N/mm2；

τcr——板格的剪切臨界屈曲應(yīng)力， N/mm2。

5 支承圓筒艙壁有限元計(jì)算

支承圓筒艙壁，按《規(guī)范》附錄I 起重設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)直接計(jì)算要求，對(duì)起重設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度進(jìn)行校核。

5.1 有限元模型

（1）坐標(biāo)系及單位

采用笛卡爾坐標(biāo)系建立吊機(jī)支撐結(jié)構(gòu)有限元模型。坐標(biāo)原點(diǎn)位于船舶中縱剖面主甲板#44 處；x 軸沿船長(zhǎng)方向，向首為正； y 軸沿船寬方向，向左舷為正； z 軸沿垂直方向，向上為正。

有限元模型單位：長(zhǎng)度為m，力為N，壓強(qiáng)為Pa。

（2）模型范圍

模型縱向范圍從#37 至#49，橫向范圍從左舷至右舷，垂向范圍從主甲板到首樓甲板。

（3）構(gòu)件尺寸和材料屬性

三維有限元模型中的構(gòu)件尺寸源于首樓結(jié)構(gòu)圖。模型中的構(gòu)件采用實(shí)際板厚，材料物理參數(shù)見表4。

表 4 材料物理參數(shù)

（4）有限元模型

模型的典型單元尺寸為100 mm×100 mm；首樓甲板、甲板縱桁腹板、甲板強(qiáng)橫梁腹板、艙壁板、艙壁垂直桁、圓筒艙壁等結(jié)構(gòu)用板單元模擬，共有33 324個(gè)板單元；艙壁扶強(qiáng)材、甲板縱骨及橫梁、甲板縱桁面板、首樓甲板強(qiáng)橫梁面板、艙壁垂直桁面板等結(jié)構(gòu)用梁?jiǎn)卧M，同時(shí)考慮各構(gòu)件的實(shí)際截面和偏心，共有4 783 個(gè)梁?jiǎn)卧?；全模型共?3 937 個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型見圖4、圖5。

圖4 三維有限元模型

圖5 三維有限元模型（隱去甲板）

5.2 邊界條件

模型在端壁和圍壁下緣的所有節(jié)點(diǎn)上，施加ux=uy=uz= 0、 θx=θy=θz= 0 約束；前后端所有節(jié)點(diǎn)上，施加ux= 0、θy=θz= 0 約束；施加邊界條件后的模型，見圖6。

圖6 有限元模型邊界條件

5.3 計(jì)算載荷

（1）吊機(jī)載荷

根據(jù)設(shè)備資料（見圖7），液壓伸縮回轉(zhuǎn)起重機(jī)的載荷見表1。設(shè)備吊機(jī)筒體與船體結(jié)構(gòu)對(duì)接位置位于首樓甲板上500 mm，受力點(diǎn)位于此高度筒體圓心位置，采用MPC 方式對(duì)載荷作用點(diǎn)與吊機(jī)基座建立剛性連接，吊臂以逆時(shí)針方向與x 正方向夾角為 315°時(shí)，作用在吊機(jī)基座上的載荷如圖8 所示。

圖7 液壓伸縮吊設(shè)備資料

圖8 作用在吊機(jī)基座上的載荷

（2）首樓甲板水壓力

考慮到吊機(jī)作業(yè)、檢修因素，同時(shí)施加首樓甲板水壓頭，根據(jù)《規(guī)范》甲板水壓頭取h=0.5 m，則首樓甲板的水壓強(qiáng)為：

P ＝ρgh=1.0x9.81x0.5=4.905（kN/m2）

（3）模型自重

計(jì)算中考慮模型自重，重力加速度為g=9.81 m/s2。

5.4 計(jì)算工況

根據(jù)吊機(jī)的實(shí)際作業(yè)情況可知：吊機(jī)可以在 360°內(nèi)回轉(zhuǎn)，假定當(dāng)?shù)醣鄢?x 正方向?yàn)?0°，分別以吊臂以逆時(shí)針方向與x 正方向夾角為 0°、 45°、 90°、135°、 180°、 225°、 270°、315°共8 種工況進(jìn)行分析。

5.5 局部強(qiáng)度

利用MSC PATRAN/ NASTRAN 軟件對(duì)吊機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型計(jì)算，比較各工況下板單元等效應(yīng)力和梁和梁?jiǎn)卧暮铣蓱?yīng)力。根據(jù)各工況計(jì)算結(jié)果，當(dāng)?shù)醣叟cx 正方向呈315°時(shí)應(yīng)力最大，圓筒艙壁板板單元的最大相當(dāng)應(yīng)力σe=95.9 MPa,小于《規(guī)范》要求155 MPa；筒體桁材的腹板板單元的最大相當(dāng)應(yīng)力σe=87.3 MPa，小于《規(guī)范》要求的135 MPa；筒體桁材的面板梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)合成應(yīng)力σz=51.7 MPa，小于《規(guī)范》要求的128 MPa。因此本船吊機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度滿足《規(guī)范》要求。

5.6 屈曲強(qiáng)度

屈曲強(qiáng)度評(píng)估區(qū)域選取圓筒艙壁和圓筒艙壁垂直桁結(jié)構(gòu)，出于保守考慮，取吊臂與x 正方向呈315°工況時(shí)短邊壓應(yīng)力的最大值及剪切應(yīng)力的最大值作進(jìn)行評(píng)估。

屈曲強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果,見表5。

表5 屈曲強(qiáng)度校核

由表5 可知，圓筒艙壁和圓筒艙壁垂直桁結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度，滿足《規(guī)范》要求。

6 結(jié)語

本文介紹了重慶某綜合救緩船液壓吊基座及其支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程，運(yùn)用MSC PATRAN/ NASTRAN 軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明本設(shè)計(jì)方案的基座及其支承結(jié)構(gòu)滿足《規(guī)范》要求。不同類型船舶吊機(jī)因位置和功能不同，應(yīng)根據(jù)吊機(jī)的使用實(shí)際情況進(jìn)行綜合考慮，設(shè)計(jì)出更加合理的加強(qiáng)方案,確保設(shè)備使用中的安全，滿足作業(yè)要求。