賀 幸，楊培青

(1.九江市港口航運(yùn)管理局, 江西 九江 332000； 2.中國(guó)船級(jí)社 上海規(guī)范研究所，上海 200135)

0 引言

隨著我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)、基建行業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的起重船被建造和投入使用。扒桿作為起重船上最為重要的結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度問(wèn)題一直備受建造者及使用者的關(guān)注。在扒桿強(qiáng)度分析領(lǐng)域，學(xué)者們已經(jīng)做了大量研究工作。張?jiān)浦綶1]基于某內(nèi)河150 t起重打撈船扒桿，根據(jù)中國(guó)船級(jí)社規(guī)范，采用有限元的方法校核了典型工況下扒桿的強(qiáng)度及穩(wěn)定性；吳英照[2]以某內(nèi)河船100 t起重船起重扒桿為研究對(duì)象，綜合考慮了包括起吊載荷、起升角度、風(fēng)載荷、船舶傾斜等因素，對(duì)扒桿作業(yè)工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)估；王貴彪等[3]基于MSC.PATRAN/NASTRAN軟件對(duì)內(nèi)河B級(jí)航區(qū)的120 t起重船扒桿進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性研究，并提出了部分結(jié)構(gòu)加固改進(jìn)措施和注意事項(xiàng)；龐君等[4]以某250 t起重船為研究對(duì)象，通過(guò)直接計(jì)算的方法評(píng)估了其作業(yè)狀態(tài)下的強(qiáng)度和穩(wěn)定性；周國(guó)寶等[5]、徐逸舟等[6]均基于不同型號(hào)與不同起吊載荷的扒桿，采用有限元直接計(jì)算法進(jìn)行了扒桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

對(duì)比上述文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于扒桿的邊界條件均是采用沿鋼絲繩方向施加線位移約束的方式。為了能夠更加準(zhǔn)確地模擬扒桿在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中的受力情況，本文以某內(nèi)河4 000 kN起重船為研究對(duì)象，基于《船舶及海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》(2007)(下文簡(jiǎn)稱《起重規(guī)范》)和《起重設(shè)備法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(1999)(下文簡(jiǎn)稱《起重法規(guī)》)等規(guī)范，采用建立扒桿鋼絲繩取代沿鋼絲繩方向施加線位移約束的方式來(lái)校核該船的扒桿強(qiáng)度，將2種約束得出的有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為扒桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法提供一定參考。

1 有限元模型

本文所分析的起重船扒桿模型為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，采用有限元分析軟件MSC.PATRAN建立扒桿模型。模型中所有板架結(jié)構(gòu)、主桿、加強(qiáng)板均采用二維3、4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬，其他支撐管件及型材用2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M。模型材料參數(shù)如下：彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7.85×103kg/m3。扒桿模型節(jié)點(diǎn)數(shù)166 515個(gè)，單元數(shù)172 362個(gè)。扒桿整體模型見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 扒桿整體模型圖

圖2 扒桿模型俯視圖

本模型坐標(biāo)系為：坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)取在扒桿根部；X軸為沿臂架所在平面，由扒桿根部指向扒桿頭部為正；Y軸由原點(diǎn)指向扒桿根部左側(cè)軸套的中心點(diǎn)；Z軸垂直于扒桿平面向上。

2 計(jì)算工況及邊界條件

2.1 計(jì)算工況

根據(jù)《起重規(guī)范》及該船的起重系統(tǒng)受力計(jì)算書，本文挑選的典型計(jì)算工況見(jiàn)表1。

表1 典型計(jì)算工況

2.2 邊界條件

本文采用2種不同邊界條件對(duì)同一扒桿進(jìn)行強(qiáng)度分析，分別見(jiàn)表2、表3。2種邊界條件在扒桿底端連接處一致，均采用放開船寬方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，約束其余自由度的方式。2種邊界條件不同點(diǎn)在于扒桿頂端拉索處與鋼絲繩端點(diǎn)處的約束形式。

表2 第1種約束方式

表3 第2種約束方式

第1種約束方式比較常見(jiàn)，在大部分文獻(xiàn)中均有記載。本文主要對(duì)第2種約束方式進(jìn)行分析，約束方式見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 第2種約束方式整體圖

圖4 第2種約束方式局部圖

本文鋼絲繩采用Rod單元模擬，該單元可以承受軸向載荷的扭轉(zhuǎn)載荷的作用。本起重船鋼索型號(hào)為44ZAA-8X36SW-IWR-1770 GB 8919—1996，共有8股繩索；股繩索由36根鋼絲擰成，鋼索彈性模量為1.45×105MPa。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)MSC/NASTRAN軟件計(jì)算得到4種工況、2種約束方式下扒桿的應(yīng)力值與變形值，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 2種邊界方式分析結(jié)果匯總

從表4發(fā)現(xiàn)，等效應(yīng)力最大差值為60 MPa，桿單元軸向應(yīng)力最大差值為12.9 MPa，且應(yīng)力最大差值均出現(xiàn)在工況LC4，即扒桿50°放置狀態(tài)、船舶橫傾30°的極限工況，其余工況的應(yīng)力差值較小。對(duì)比2種約束情況下最大應(yīng)力值位置可以發(fā)現(xiàn)，兩者最大應(yīng)力值除了數(shù)值的差別外，最大值所處位置一致，可以看成2種約束形式在力學(xué)上達(dá)到的效果是一致的。

對(duì)比2種約束形式的變形情況發(fā)現(xiàn)，第2種約束方式的變形值均大于第1種。這是由于第2種約束方式考慮了繩索彈性模量的影響，差值最大值出現(xiàn)在起升工況。2種約束情況下，橫傾30°工況扒桿整體的變形情況見(jiàn)圖5～圖8。

由圖5、圖6可以看出，2種約束形式下扒桿在Y向的變形差距較大。采用第1種約束形式扒桿頭部由于未考慮鋼索的影響，被強(qiáng)行約束??；而第2種約束的變形更加貼近現(xiàn)實(shí)，由扒桿頭部開始向Y向偏移。

圖5 第1種約束下扒桿變形(俯視圖)(單位：MPa)

圖6 第2種約束下扒桿變形(俯視圖)(單位：MPa)

由圖7、圖8對(duì)比看出：當(dāng)采用約束方式1時(shí)，扒桿Z向沒(méi)有產(chǎn)生出較大的變形；而約束形式2，即采用鋼絲繩索模擬扒桿的受力情況時(shí)，扒桿呈現(xiàn)出明顯的下沉情況。

圖7 第1種約束下扒桿變形(側(cè)視圖)(單位：MPa)

圖8 第2種約束下扒桿變形(側(cè)視圖)(單位：MPa)

第1種約束方式采用局部坐標(biāo)系約束的方式，方向是沿著扒桿繩索的方向，將該方向的約束分解可以得到Z向的約束，即采用該種方式放大了扒桿頂部在Z向受到的約束。采用第2種約束形式，即建立鋼絲繩索的方式，將約束施加在鋼絲繩索端部，能更加準(zhǔn)確模擬扒桿的受力情況。在扒桿真實(shí)的受力過(guò)程中，扒桿頂部是處于一個(gè)相對(duì)自由的狀態(tài)，僅靠鋼絲繩索固定。當(dāng)船體運(yùn)動(dòng)幅度較大時(shí)，扒桿的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)也會(huì)增加，此時(shí)鋼絲繩會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻止扒桿運(yùn)動(dòng)的繩索拉力。鋼絲繩有一定的變形幅度。當(dāng)扒桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較大時(shí)，鋼絲繩受力較大，繩索的變形也會(huì)增加。隨著鋼絲繩的變形，扒桿的角度也會(huì)產(chǎn)生一定的變化。和約束形式1的剛性約束相比，約束形式2是一種柔性約束。該方式考慮了繩索變形情況的耦合，并且繩索約束的形式并不會(huì)將頭部約束的自由度完全固定，更加貼合實(shí)際的受力情況。正是這兩種約束的差異導(dǎo)致了在橫傾較大工況時(shí)，扒桿變形的差異。

4 結(jié)論

本文基于某內(nèi)河4 000 kN起重船，對(duì)比了2種約束方式下扒桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，現(xiàn)得出結(jié)論如下：

(1)在普通吊裝工況及過(guò)橋工況下，2種約束方式對(duì)應(yīng)扒桿的應(yīng)力情況基本相似，故在吊裝及過(guò)橋工況下2種約束形式都可以用來(lái)分析扒桿強(qiáng)度。

(2)當(dāng)船體出現(xiàn)較大的橫傾工況時(shí)，如本文所分析的橫傾30°極限工況，2種約束方式的應(yīng)力分析結(jié)果差距較大。這是由于采用第1種約束形式代替鋼絲繩完全固定了扒桿的運(yùn)動(dòng)情況，扒桿變形小于實(shí)際情況，致使橫向變形較小未能達(dá)到實(shí)際狀態(tài)。

(3)對(duì)比2種約束形式來(lái)看，2種約束對(duì)扒桿的應(yīng)力分析基本相似，在應(yīng)力分析方面均能準(zhǔn)確呈現(xiàn)應(yīng)力分布狀態(tài)；在扒桿變形分析方面，約束形式1縮小了扒桿的變形，約束形式2放大了扒桿變形。由于在實(shí)際過(guò)程中繩索起升裝置會(huì)一直拉動(dòng)繩索，不會(huì)出現(xiàn)扒桿整體下沉較多的情況，故在分析變形時(shí)建議結(jié)合約束1和約束2的結(jié)果進(jìn)行研究。