1000t起重船有限元强度分析

1000t起重船有限元强度分析
王庆丰
(江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003)
提　要　起重船由于其工作的特殊性,自身强度成为设计过程中的一个重点,以某1000t起重船为例,介绍了船体总体设计、结构设计及特点,利用MSC有限元软件对在不同工况作业下的船体、龙门架、千斤柱的强度进行了校核,指出了各部分的薄弱环节,并提出了加强措施,对优化起重船结构设计具有一定指导意义。

关键词　起重船　有限元　强度分析
中图分类号　U661 文献标识码　A
1　引言
起重船不仅是港口船舶装卸的重要工具,而且在港建水工作业、造船工程、桥梁建筑、水下救捞以及各种海洋工程中均具有广泛的用途。

起重船由于其自身的工作特点,总体受力大局部受力集中且分布不均,吊点高,因而对臂架结构,船体结构要求特别高。

应用大型结构软件对起重船结构进行有限元分析,优化结构设计是必须的。

以某1000t起重船为例,对其在不同工况下的船体、千斤柱及龙门架进行了有限元强度校核,指出了高应力分布区域,对优化起重船结构设计具有一定指导意义。

2　船型介绍及结构特点
该1000t起重船为非自航大型起重船,主钩起吊能力为2×600t,副钩起吊能力为400t,在沿海航区调遣航行,在遮蔽航区起吊作业.该船主尺度如下。

总 长 83.2m
水线长83.2m
型 宽32.0m
型 深 6.50m
设计吃水 4.00m
肋 距 1.60m
纵骨间距0.50m
主船体以上从艉至艏布置有千斤柱、船员生活舱室以及吊杆设备,船员生活舱室布置较紧凑,留有较大的甲板空间,便于起吊作业,图1为1000t起重船总布置图。

图1　1000t起重船总布置图
本船起吊能力为1000t,过桥状态时,吊杆臂架放置到前倾角16度的位置,这时对千斤柱产生的拉力和对吊杆及其底座产生的压力都非常大,因此在考虑船舶总纵强度的同时,还须对千斤柱,龙门架等局部强度予以足够重视,本船千斤柱和龙门架都采用箱式结构,见图2、图3,千斤柱与船体绞支连接。

龙门架与船体焊接固定,在受力较大的局部区域除采用加厚板外,还采用了高强度结构钢来满足要求。

本船结构是单甲板、单底、纵骨架式结构,为了确保在各种工况下本船有足够的强度,因此对全船进行了有限元分析。

3　有限元建模
3.1　模型建立
本船包括船体(主船体、千斤柱、龙门架等)和起吊吊杆两个部分,分别建模,这里仅介绍船体模型。

本船有限元模型是板梁结合的空间3D模型,模型采用了2D平面有限单元和1D线有限单元。

由于
作者简介:王庆丰(1976-),男,讲师。

千斤柱与船体绞支连接,龙门架与船体焊接固定,所以千斤柱单独建模分析,龙门架与船体部分整体建模分析。

甲板板采用2D 板单元建模,甲板纵桁、甲板强横梁均采用1D 梁单元建模;船底板采用2D 板单元建模,船底板纵骨采用1D 梁单元建模;各纵舱壁、横舱壁采用2D 板单元建模,骨材采用1D 梁单元建模。

千斤柱外板均采用2D 平面单元建模,千斤柱筋板采用2D 平面单元建模,千斤柱强扶强材及其肘板的腹板、面板均采用2D 平面单元建模,千斤柱外板的扶强材换算为板的相当厚度,千斤柱的水平撑材、斜撑材均采用1D 线单元建模。

龙门架建模单元的选择与千斤柱雷同,在此不赘。

3.2　边界条件
船体在#6肋位的横舱壁与船底板相连的下端
取X 、Y 、Z 位移为零;#48肋位的横舱壁与船底板相连的下端取Y 、Z 位移为零。

千斤柱拉杆绞支座处取X 、Y 、Z 位移为零;X 、Z 弯距为零;副杆绞支座处取X 、Y 、Z 位移为零;X 、Z 弯距为零。

用于船体结构分析的3D 有限元模型如图4所示,本模型总节点数为21940,单元数为43630,千斤柱模型如图5所示,总节点数为2238,单元数为2782。

3.3　许用应力标准
主船体部分材料为普通钢,许用应力[σs ]=0.
8σs =0.8×
240M Pa =192M Pa 千斤柱和龙门架的材料为D H 高强钢,许用应
力[σs ]=0.8σs =0.8×
352M Pa =281M Pa 4　计算分析
4.1　计算工况
针对起重机四种工况扒杆在不同倾角的情况
下,船体、龙门架、千斤柱的应力分布情况计算。

工况1,起重机主钩工作于有风状态,所取的载荷有质量载荷、起升载荷、船舶纵横倾所产生的水平分力及风载荷;
工况2,起重机副钩工作于有风状态,所取的载
荷有质量载荷、起升载荷、船舶纵横倾所产生的水平分力及风载荷;
工况3,起重机处于放置状态,考虑的载荷有船舶倾斜、船舶运动所产生的力及风载荷;
工况4,起重机承受特殊载荷,即起重机的臂架放置至倾角为16°的位置。

扒杆的自重570t,扒杆头部主钩及其滑轮组和变幅滑轮组的重量为85t,副钩及其滑轮组的重量为30t,千斤索拉力及起升载荷如表所示,风载荷按船舶与起重设备规范(CCS,2007)取。

4.2　计算结果
对各种工况下扒杆不同倾角情况下的千斤柱、龙门架及船体的应力情况进进行了分析,见图6～图21。

扒杆倾角65°为最大工作吊点,强度校核时以65°倾角为主,工况4(倾角16°)为最危险状况,应当注重分析。

计算工况外力及计算结果列于表中。

表　计算工况外力及计算结果
工况外载荷(N)计算结果(N)
工况一倾角(°)千斤索力起升载荷千斤柱龙门架甲板舱壁高应力区7024.081000139191181181龙门架斜撑下端与甲板接触处6529.941000172197190183龙门架斜撑下端与甲板接触处6032.32850185182176176千斤柱横梁与拉杆连接处5535.29750200142142140千斤柱横梁与拉杆连接处5035.97600201143145142千斤柱横梁与拉杆连接处4535.53450196138141139千斤柱横梁与拉杆连接处4033.86300183119124129千斤柱横梁与拉杆连接处
工况二7013.36
6516.72
6020.22
5523.97
5027.98
4532.34
4034.82
400
350
77132123123龙门架斜撑下端与甲板接触处
96135128128龙门架斜撑下端与甲板接触处
116138132132龙门架斜撑下端与甲板接触处
136140136135龙门架斜撑下端与甲板接触处
156142140138千斤柱横梁与拉杆连接处
178144148146千斤柱横梁与拉杆连接处
188138141138千斤柱横梁与拉杆连接处
工况三4519.410107979689千斤柱横梁与拉杆连接处工况四1638.72019992139183千斤柱横梁与拉杆连接处
5　结论
由计算结果可知,各部位的结构强度满足规范要求,千斤柱和龙门架的强度富余量较大,但龙门架斜撑下端与甲板接触处应力值较大,建议加大该处甲板、龙门架斜撑外板及肘板厚度或采用高强度钢,以确保起重机工作的安全。

6　参考文献
1　陈杰.1200t起重船起重系统研究.江苏船舶,2004,
(5):1。