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船用龙门吊架设计及强度校核实例分析周斌;张荣;梁斌【摘要】HYSY301 working as FSU moored in the dock.During the operating,the fan in the cargo compressor room broke down,the fan and its accessories need to be lifted to the deck and disassemble the fault components.Because the ship lift is far from the fan,the scheme of gantry hanger for repair is needed.The working principle of fan was analyzed.According to the fan structure weight and ship operation space factors, the marine gantry hanger design scheme was developed.The strength of the gantry hanger was assessed.The numerical results meet the corresponding requirements.%针对"海洋石油301"船系泊于码头作浮舱作业,船舶在日常运营过程中发生货物压缩机房风机故障,需对风机及其附件一起吊放到甲板上进行拆解替换故障部件,由于船舶吊机距离风机较远,需寻求龙门吊架方案进行维修.对风机原理进行分析,根据风机结构重量及船上操作空间因素,制定船用龙门吊架设计方案,并对该方案进行强度校核,校核结果满足要求.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2017(046)005【总页数】3页(P142-144)【关键词】龙门吊架;吊架设计;强度校核【作者】周斌;张荣;梁斌【作者单位】中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司,天津300451;中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司,天津300451;中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司,天津300451【正文语种】中文【中图分类】U661.43“海洋石油301”船为中海油能源发展采油服务公司建造的国内首艘中小型LNG运输船，船长184.7 m，船宽28.1 m，满载排水量约27 750 t，可装载30 000m3LNG，自持力15 d，定员19人。
13000kN自航起重船扒杆强度校核0 引言起重船是一种用于水上起重作业的工程船舶的总称，又常被称为浮吊、浮式起重机。
目前常见的起重船多为非自航式，也有在役的自航式起重船。
起重船按照起重设备区分主要有旋转式和固定式。
自航旋转式起重船用于调迁频繁的工地，一般配有副钩，吊杆可以变幅。
固定式起重船一般用于集装箱等重大件货物的调配，配有副钩，其起升高度与工作幅度依作业需要而定[1]。
按照起重臂工作幅度区分，起重船可以分为360°回转与固定方向两大类。
后者起重臂方向的调整主要有拖轮拖带转向和船向各个方向抛锚两种方式，通过锚链向各个方向牵拉，从而实现重物的回转。
360°回转起重船结构和起重臂机械构造非常复杂，而且起重能力相比较小，多用于水上起重和吊装作业，一般为非自航。
通常情况下，起重作业频繁的起重船为自航式，其起重机可旋转，吊重特大件时，可用两个起重船合并作业。
起重机按其占用空间面积分为小型、中型、大型、巨型四类，其中大型起重船和巨型起重船的起重臂可以调动30 000 kN以上的重物达100 m以上，工作效率高，但成本高、造价昂贵，因此工作一段时间后的检修、维护价格也非常高。
芪参益气滴丸用法：冻干重组脑利钠肽治疗三天后使用，每袋装0.5 g，餐后半小时服用，一次1袋，一日3次[2]。
为了保证已经服役多年的13 000 kN起重船的安全性能，本文利用Patran/Nastran软件对其进行有限元分析，获得起重船扒杆角度为12°、45°、70°工况条件下结构的最大应力，并通过对比分析不同工况下最大应力和许用应力，判断结构强度是否满足相关规范的规定，从而评判该起重船能否继续服役。
1 起重船概况及实验方案设计1.1 起重船概况本文研究对象为已经服役多年的13 000 kN起重船，根据图纸通过有限元软件Patran进行建模。
1.2 方案设计对13 000 kN起重船的起重臂架进行有限元模型的建立。
多功能船主吊机区域局部强度计算多功能船是如今近海作业等领域中不可缺少的一种工具，比如救援、船舶维修、海洋能源的开发利用等方面都需要多功能船进行。
而船上的主吊机又是多功能船的重要组成部分，经常需要进行不同的作业。
因此，为了保证船舶的安全、稳定和可靠性，必须对其进行局部强度计算，以提高船舶在使用时的稳定性和安全性。
主吊机是多功能船的重要设备，用于吊装救援、维修、装卸货物等作业。
因此，应对主吊机进行局部强度计算，以保证其在作业时不会产生变形或损坏等情况。
主吊机的局部强度计算需要针对主要承载部位进行，以下是计算方法：1. 找到主吊机的主要承载点并对其进行测量，以确定其几何参数，例如直径、厚度等。
2. 确定主吊机的材质及其特性。
根据实际使用情况，可以选择不同材质的主吊机。
例如，当需要承受重大荷载时，常常会选择高强度钢材。
3. 根据主吊机的几何参数和材质特性，计算主吊机主要承载点的应力。
应力计算需要考虑主吊机受力方向、吊装物品的重量和距离等因素。
4. 将计算结果和主吊机的强度参数进行比较，以确定其是否满足强度要求。
如果不满足要求，需要重新设计主吊机，调整其几何参数和材质特性，以提高其承载能力。
总之，主吊机的局部强度计算是多功能船使用中至关重要的一部分。
只有对其进行精确计算，并符合强度要求，方能确保多功能船的稳定性和安全性。
同时，在使用多功能船主吊机时，还需要严格按照相关操作规程进行，以保证作业时的安全和可靠性。
为了更好地进行多功能船主吊机的局部强度计算，需要收集相关的数据并进行分析。
以下是一些可能需要收集的数据：1. 主吊机的尺寸和材质：主吊机的直径、长度和厚度等几何参数，以及使用的材质和特性。
2. 吊装物品的重量和距离：以确定主吊机在作业时的承载能力和最大负载。
3. 风、浪、流等大自然环境因素：作为多功能船，主吊机的使用环境经常会受到大自然环境的影响，因此需要对其进行分析。
4. 人为因素：例如操作员的技能和经验等，对主吊机的使用和安全都有直接影响。
标记数量编制校对审核标检审定日期2008.10本船起重设备按《船舶及海上设施起重设备规范》（2007）进行校核、计算（以下简称《规范》）。
1 载荷工况及相关系数 1.1 作业系数与起升系数按《规范》之3.2.4.1：作业系数 05.1=d ϕ（浮式起重机） 按《规范》之3.5.2.1： 起升系数 取 1.1=h ϕ。
1.2 载荷工况 1.2.1 工况1起重机工作于无风状态，所取的载荷如下： （1）质量载荷×作业系数d ϕ（2）[起升载荷+船舶倾斜（横倾与纵倾）所产生的起升载荷水平分力]×起升系数⨯h ϕ作业系数d ϕ（3）由船舶倾斜（横倾与纵倾）所产生的自重载荷水平分力×作业系数d ϕ 1.2.2 工况2起重机工作于有风状态，所取的组合载荷为： 1.2.1所表示的组合载荷加上最不利的风载荷。
1.2.3 工况3起重机处于放置状态，所取的各载荷的组合为： 船舶倾斜、船舶运动所产生的力和风的作用力。
1.2.4 工况4起重机承受特殊载荷，本船载荷为：（1）起重机的臂架放置至倾角为15º的位置，在无风浪时空载过桥。
2 各载荷工况的所受载荷2.1 工况1，起重机工作于无风状态 2.1.1 扒杆仰角63︒，吊重2500t（1）质量载荷臂架杆身自重：1780G =t （含焊缝、梯架、及导向滑轮等质量） 主钩上、下滑车组及钢丝绳自重：2400G =t （每个吊点100t ，含动载力影响）臂架头部自重：3270G =t （含焊缝及导向滑轮等质量） 臂架底脚部自重：4250G =t （含焊缝等质量） 臂架头部变幅滑轮组自重：5120G =t （含焊缝质量）由于船舶横倾3º所产生的水平分力： 5Sin G G i iy ⨯=（Y 表示船宽方向）由于船舶纵倾2º所产生的水平分力：︒⨯=2Sin G G i ix （X 表示船长方向）以上质量载荷均须乘以作业系数 05.1=d ϕ （2）起升载荷（扒杆仰角63︒）主吊作业时，12500Q =t （每个吊点625t ）， 由于船舶横倾3º所产生的水平分力：︒⨯=311Sin Q Q y ，︒⨯=322Sin Q Q y由于船舶纵倾2º所产生的水平分力：︒⨯=211Sin Q Q x ，︒⨯=222Sin Q Q x以上各起升载荷均须乘以：起升系数 10.1=h ϕ 作业系数 05.1=d ϕ 此时还需考虑：（1）最大吊重2500t ，两边变幅拉力偏差212110%T T T T -=+时的影响。
《材料力学III》
期末研究报告
船用起重机的主臂强度校核
姓名：XX
指导教师：XX
学号：XXXXXXXX
学院：动力学院
专业班级：能动X班
2016年6月
【背景】主臂是船用起重机的主要受力部件之一，多种载荷都作用在主臂上。
本文将以国家海洋技术中心发布的《船用起重机的主臂强度校核方法研究》为基础，着重计算极限情况下的主臂受力并进行强度校核，为选择主臂的材料提供一定的参考意见。
【关键字】船用起重机强度校核极限情况受力分析
模型建立与推导
船用起重机由塔身连接主臂，主臂后端还有一节折臂。
折臂是可以自由上下转动的，但只有折臂与主臂在一条直线上时，也就是达到最大回转半径时，力臂达到最长，因此该状态应该是强度校核的最合理状态。
1. 基座；
2. 底座；
3. 塔身；
4. 操作台；
5. 主臂；
6. 折臂；
7. 变幅油缸；
8. 折臂油缸；
9. 起身绞车
如上图所示为船用起重机的简图，根据分析，我们得到主臂受力主要包括：1.自重载荷；
2.起升载荷；
3.风阻力；
4.船舶运动引起的惯性力。
主臂的受力分析
折臂完全展开与主臂成一条直线，可以将主臂和折臂视为刚体，将其简化为一个绞支悬臂梁，如下图所示。
[1]图中C 点为支点，E 点为重物悬挂点，主臂承受的载荷包括：重物载荷F y （原文使用的因素载荷，这里对其进行简化）、折臂自重F 1、折臂油缸重量F 2、除去AC 段外主臂的自重F 3，(本文中所有的F1,F2,F3,Fy 与q1,q2,q3,Qy 等同，图例使用的q1,q2,q3,Qy,下面的计算中也是一样)通过这些参数我们可以列出各载荷对C 点的弯矩方程（顺时针为正）： 03211=++++-CE F CL F CM F CN F Me y c 解得：CE F CL F CM F CN F Me y c +++=3211
再计算风阻力对C 点的弯矩。
这里不采用参考论文评估风的力的大小。
风阻力分为两个部分，一部分作用在主臂上，一部分作用在重物载荷上。
作用在起重机主臂上的等效风应力F w 按下式计算：
12
w */2F A V ρ=（N ）；V 代表风速(m/s)，A 1表示主臂与折臂的上侧面积。
作用在重物载荷上的等效风应力F n 按下式计算： 22
n */2A V F ρ=（N ）；A 2表示重物的上侧面积。
因此，风阻力的受力图可以用如下的示意图表示：
据此可以列出风阻力对C 点的弯矩方程（这里仅仅讨论了垂直方向的弯矩，之后会补充讨论参考论文所没有的水平方向的弯矩）：
0=++-CE F CW F Me n w f c 解得：CE F CW F Me n w cf +=
最后计算船舶运动引起的惯性力力矩，这部分的计算由于涉及专业实验数据测量所以直接使用参考论文的计算方法。
作用在支点C 上的惯性力主要包括船舶运动引起的 CE 段主臂的重力 Qq 垂直于甲板的惯性力 Q 1' 和船舶运动引起的重物载荷 Q Y 垂直于甲板的惯性力 Q 2'。
这两种惯性力都由 下式计算：
Q 1’(Q 2’)=0.8(动横摇+动纵摇)+静合成力
式中：动横摇为船体横摇引起的垂直于甲板的惯性分力；动纵摇为船体纵摇引起的垂直于甲板的惯性分力；静合成力为静载荷垂直于甲板的惯性分力。
动横摇Qh ：
式中：ϕ 为横摇角，由船舶设计建造时确定；y 为船体纵向中心线至起重机中心线平行于甲板的横向距离；Tr 为横摇周期；Qq 为CE 段主臂的重力，即F1+F2+F3。
式中：B 为型宽；GM 为装载船舶的初稳性高度。
动纵摇：
式中：ψ为纵摇角，由船舶设计建造时确定；x 为纵摇运动中心至起重机中心线平行于甲板的纵向距离；TP 为纵摇周期。
其中：为垂线间长,5.0p Lpp Lpp T =
静合成力：
根据载荷Q 1’和Q 2’的受力点可以绘制出两个载荷的受力图如下图所示：
W 为CE 段主臂的重心，即为惯性力Q 1’的受力点。
得到惯性力矩：
CE Q CW Q M cQ ''e 21+=
主臂强度校核： 主臂承受弯曲应力：W
Me Me Me cQ cf c ++=1max σ W 为抗弯截面系数，假设主臂界面为高h 宽b 的矩形，则W=bh 2/6。
下面给出实际数据进行计算： 假设m CL 10=20m =CM 30m =CN m CE 39=m CW 19=，吊起的重物为一个40尺开顶柜集装箱：内容积为12.01x2.33x2.15米，配货毛重30.4吨，体积65立方米。
主臂自重3吨，折臂自重1.5吨，折臂油缸0.2吨，g 取9.8m/s 2。
据此可以计算出m N M c .12393080e 1=
假设主臂的h=1.5m b=1.5m ，折臂的h=0.8m,b=0.8m,当前为10级风状态，即风速v=29m/s 。
空气密度为1.29kg/m 3。
据此可以计算出F w =24519N F n =15179N m N Me cf .1057842=
假设船的横摇角为10°，y=10m ，Tr=5s ，Q q =46060N ，Q y =297920N ，纵摇角︒=5ψ，x=30m ，Tp=1s
据此可以计算出动横摇Q h =12897N 动纵摇Q z =19345N 主臂的静合成力Q 01’=339803N 重物的静合成力Q 02’=588604N Q 1’=365597N Q 2’=614398N
m N Me cQ .30907865=
则主臂承受弯曲应力：Pa 788600656max =σ=789MPa
下面分析主臂C 点的侧向受力：
C 点侧向的弯矩主要由风的阻力F cf 和船瞬时加速时的惯性力F cQ 引起。
风阻力的等效受力点在W 处，惯性力的等效受力点也近似位于W 处。
假设当前仍为10级风状态，即风速v=29m/s ，则F cf =24519N 假设目前加速度为a=2m/s 2，则主臂与重物总的惯性力为F cQ =69800N
则m N CE F CW F M cQ cf c .3188061e 2=+=
则主臂承受的侧向弯曲应力：MPa Pa x 55667664'ma ==σ
结论
主臂材料的选择既要满足强度要求，又要考虑材料对环境的适应性，实际应用中选用了Q345D 钢，主臂内部加入肋板提高强度。
而侧面弯曲应力需要在C 点的固定齿轮拥有足够的强度，以防风速过快和突然加速时运作的起重机发生侧面位移。
参考文献
[1]聂杰吴炳昭康岳伟.《船用起重机的主臂强度校核方法研究》.天津：国家海洋技术中心.2009-12。
