浮式起重機(jī)底座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估及優(yōu)化

李杰

摘 要：現(xiàn)在人們對于各種工業(yè)生產(chǎn)設(shè)施的要求都在逐漸的提高，浮式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)要求也隨之提高。本文采用有限元方法研究了起重機(jī)的基礎(chǔ)加固結(jié)構(gòu)，評估了起重機(jī)基礎(chǔ)在最大工況和非工作狀態(tài)下的加固結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。基于此，優(yōu)化了起重機(jī)基座的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過評價(jià)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的起重機(jī)有著顯著高于沒有優(yōu)化過起重機(jī)的底座強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)底座;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：U661.43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0081-02

0 引言

在貨船運(yùn)行期間，通常增加起重機(jī)，導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)上的大的集中載荷。電梯將從基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移到附近的主船體結(jié)構(gòu)，使船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。通過簡單的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，很難確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否符合標(biāo)準(zhǔn)。有限元分析軟件MSC用于檢查起重機(jī)的強(qiáng)度基礎(chǔ)和附近的船體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，MSC進(jìn)行了優(yōu)化，以增強(qiáng)船舶起重機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，以滿足規(guī)范的要求。

1 浮式起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度現(xiàn)狀

在許多散貨船碰撞事故中，直接原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。這反映了結(jié)構(gòu)可靠性在此類船舶安全評估中的重要性。研究表明，大多數(shù)研究都與完整，受損和沉沒狀態(tài)下散貨船的結(jié)構(gòu)可靠性和強(qiáng)度有關(guān)。近年來，研究證實(shí)船體梁斷裂問題與現(xiàn)有單殼散裝船體的可靠性有關(guān)。散貨船在世界航運(yùn)業(yè)中發(fā)揮著重要作用。散貨船在海上航行，并將各種貨物運(yùn)往世界各地。散貨船的規(guī)模從20000噸到便攜式，巴拿馬型，海岬型船甚至30萬噸超級散貨船。目前，大多數(shù)散貨船都是單殼結(jié)構(gòu)，根據(jù)多年來散貨船事故的統(tǒng)計(jì)，單殼散貨船的側(cè)殼在各種損壞中的事故率最高。如艙口蓋和甲板以及船舶的側(cè)外結(jié)構(gòu)。此外，由于取消了作為壓載艙的貨艙，一些港口解決了一些港口的貨物裝載問題，這可以通過僅在港口設(shè)計(jì)壓載艙來解決。MSC用于解決結(jié)構(gòu)模型。通過Nastran軟件，獲得了起重機(jī)加固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值和分布。在三種工況下繪制了起重機(jī)基礎(chǔ)加固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，總結(jié)了各構(gòu)件的最大應(yīng)力結(jié)果[1]。分析的主要原因：

（1）從船體結(jié)構(gòu)來看，散貨船的側(cè)面結(jié)構(gòu)比上下油箱的三角形框架結(jié)構(gòu)弱，特別是在滿載時(shí)，對于側(cè)面裝載機(jī)、貨艙，該結(jié)構(gòu)的有效性是貨物下沉的張力和外板的水壓的兩倍。（2）在裝載狀態(tài)下由側(cè)面和貨物之間的直接接觸引起的加速腐蝕。（3）裝卸貨物時(shí)發(fā)生機(jī)械損壞，清理邊緣剩余貨物。人們采取了多種多樣的方法來盡可能的提高散貨船的安全方面能力，尤其是一些舊散貨船已經(jīng)經(jīng)歷了長久的海上航行，在實(shí)際運(yùn)行的過程中難免會(huì)遇到多方面的問題，這就會(huì)導(dǎo)致其安全性能大幅度的降低。散貨船在航行的過程中，其側(cè)面結(jié)構(gòu)是船體當(dāng)中強(qiáng)度最弱的部位，滿載的條件下最容易出現(xiàn)問題的就是船體的側(cè)面結(jié)構(gòu)。重型貨倉的側(cè)面結(jié)構(gòu)受到貨物下沉力以及外部水壓的影響很大。文章將散貨船結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝，使用了雙殼結(jié)構(gòu)來有效的提高船體剪切強(qiáng)度，從案例當(dāng)中的具體分析可以看出愛雙殼結(jié)構(gòu)將橫向的剪切應(yīng)力進(jìn)行了減小，小到原始的單殼層輪船的一半應(yīng)力左右，與此同時(shí)隔室等的頂端邊緣部分也有著顯著的剪切應(yīng)力降低的效果。對這一過程進(jìn)行總結(jié)，散貨船結(jié)構(gòu)改造成雙殼結(jié)構(gòu)的話可以稍微的提高船體彎曲性能，但是這樣的過程并沒有十分明顯的使用效果。這是因?yàn)樵黾拥膬?nèi)殼位置恰好靠近中性軸，因此對總縱向彎矩的影響很小。

雙殼結(jié)構(gòu)極大地改善了船體側(cè)結(jié)構(gòu)的抗剪切性，但是雙殼結(jié)構(gòu)的引入增加了船體結(jié)構(gòu)的重量并減小了箱體的部分體積。因此，有必要優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)。在本文中，船體通過進(jìn)化算法進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的單殼結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化的雙殼結(jié)構(gòu)僅使重量增加了5%到7.5%。由于時(shí)間關(guān)系，本文僅計(jì)算船舶縱向構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過橫框架結(jié)構(gòu)和槽式艙壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以在一定程度上減輕結(jié)構(gòu)的重量，并可以適當(dāng)補(bǔ)償箱體容量的損失[2]。

2 有限元模型

浮式起重機(jī)可用于海岸和船舶，船舶之間的裝卸作業(yè)。它具有工作效率高，運(yùn)行穩(wěn)定，操作靈活的特點(diǎn)。它是船舶理想的裝卸設(shè)備。為了獲得海上多用途貨船（集裝箱/散貨船）的起重能力，需要浮式起重機(jī)。起重機(jī)基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度對結(jié)構(gòu)的安全性有很大影響，因此有必要對強(qiáng)度進(jìn)行評估?；谄鹬貦C(jī)布局，基本結(jié)構(gòu)圖和其他材料，通過MSC軟件建立起重機(jī)的有限元模型。該范圍內(nèi)的型號包括甲板，平臺(tái)和內(nèi)部起重機(jī)油缸，內(nèi)部和外部地板，5300個(gè)平臺(tái)，主甲板，縱向和橫向艙壁和肋。骨架結(jié)構(gòu)如船底和縱向鋼筋。其中，起重機(jī)滾筒，船底和肋底梁由板單元建模，縱梁橫梁由梁單元建模。在已建立的有限元模型中，坐標(biāo)系X沿著船的長度，Y沿著船的寬度，Z沿著船的深度。起重機(jī)基座的增強(qiáng)材料是船用低碳鋼，彈性模量限制在一定范圍內(nèi)。為了保證計(jì)算的順利進(jìn)行，起重機(jī)基礎(chǔ)加固結(jié)構(gòu)的有限元模型根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了約束。有限元模型主要受浮吊的重量和運(yùn)行過程中提升載荷的增加的影響。它通過多點(diǎn)耦合單元MPC（多點(diǎn)耦合）應(yīng)用于船體，即在氣缸和主甲板的交叉平面的中心處建立單獨(dú)的點(diǎn)。平面上的其他節(jié)點(diǎn)與獨(dú)立點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，并將集中力應(yīng)用于獨(dú)立點(diǎn)[3]。起重機(jī)很重，考慮兩種情況：首先，只考慮起重機(jī)本身的重量，將垂直集中力施加到獨(dú)立點(diǎn);其次，只考慮起重機(jī)本身的重量和最大起重量到獨(dú)立點(diǎn)。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

盡管雙殼散貨船的技術(shù)要求不斷得到改進(jìn)和澄清，但雙殼設(shè)計(jì)概念并未首次在船舶設(shè)計(jì)中提出。為了減少油輪碰撞或珊瑚礁造成的石油泄漏，20世紀(jì)90年代實(shí)施了油輪雙殼船，單殼船正在加速退出世界航運(yùn)市場?；谏鲜龇治?，雙殼體的起點(diǎn)是增強(qiáng)船體的側(cè)面結(jié)構(gòu)，以抵抗與貨物相關(guān)的腐蝕和機(jī)械損壞，同時(shí)防止貨艙在套管損壞后進(jìn)一步進(jìn)入水中。此外，雙體散貨船在節(jié)省卸貨時(shí)間，貨艙清潔時(shí)間和貨艙維護(hù)費(fèi)用方面具有顯著優(yōu)勢。在設(shè)計(jì)雙殼散貨船或雙殼散貨船時(shí)，將面臨以下方面[4]。

當(dāng)選擇雙層結(jié)構(gòu)時(shí)，散裝載體有兩種主要類型的雙層結(jié)構(gòu)：垂直骨架類型和水平骨架類型。當(dāng)然，也存在混合骨架形式，其中前兩種不同的骨架形式分別應(yīng)用于內(nèi)套筒。無論結(jié)構(gòu)類型如何，水平梁和垂直肋條都是雙層結(jié)構(gòu)中必不可少的，以確保必要的強(qiáng)度和安全的通道布置。垂直骨架形式在雙殼油輪的設(shè)計(jì)中更為常見。在縱向骨架雙殼散貨船中，設(shè)計(jì)了縱向骨架的疲勞強(qiáng)度和縱向板對縱向肋產(chǎn)生的剪切力，以傳遞外板的壓力。橫向框架雙殼體的優(yōu)點(diǎn)在于，每個(gè)肋條可以均勻地傳遞外側(cè)和下側(cè)箱體上的壓力，從而避免過多的剪切構(gòu)件，并且缺點(diǎn)是該部分被分成過長的現(xiàn)場對接焊縫。因此，具體結(jié)構(gòu)的實(shí)際設(shè)計(jì)，還要分析和比較各種形式，根據(jù)每個(gè)部件的重量和制造工藝等因素來全面確定。

在確定雙層殼的寬度時(shí)，將闡明雙層結(jié)構(gòu)的最小寬度，需要雙層殼體，即內(nèi)外壁寬度的雙層結(jié)構(gòu)不得小于1米，不論雙層結(jié)構(gòu)的形式如何，以上開口處的最小間隙不得小于600mm;如果使用的是垂直股價(jià)的雙殼結(jié)構(gòu)的話則需要重視縱向肋骨之間的最小間距，其最小間距應(yīng)當(dāng)不能超過八分米，與此同時(shí)肋骨的端部到縱向的端部之間支架或者鎧裝都可以放寬到六分米左右的最小間距限制，這樣才能夠有效的確保雙殼船體有著足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)際進(jìn)行運(yùn)輸?shù)倪^程中就會(huì)有著更高的安全性質(zhì)。設(shè)計(jì)雙殼體的散貨船的時(shí)候需要根據(jù)實(shí)際情況下船體的尺寸以及壓載艙的提及等來確定散貨船的寬度以及其中的流量要求。如果使用便攜式散貨船的話，使用1.3米的雙層散貨船為例，則貨艙一定是有著小于5%的損失率的，在此基礎(chǔ)上隨著雙殼寬度的增加，艙室損失會(huì)越來越小[5]。

除此之外有人曾經(jīng)考慮使用雙殼分離器來用作空罐和壓載艙，如果將雙殼段用作空段，其優(yōu)點(diǎn)是可以降低段中涂層的防腐蝕成本，但缺點(diǎn)也很明顯，需要單獨(dú)添加輔助組件，如聽起來和通風(fēng)。如果使用雙殼分離作為壓載艙，則壓載水艙可以連接或分離上側(cè)和下側(cè)艙，由此，消除了由船東制造的單殼散貨船的上側(cè)和下側(cè)的連接通道。同時(shí)，如果總壓載能力滿足重壓載條件，則可以取消作為壓載艙的貨艙設(shè)計(jì)。因此，可以大大簡化或消除貨艙的局部加固，貨艙的特殊涂層要求和與貨艙壓載物相關(guān)的裝甲設(shè)計(jì)。此外，由于取消了作為壓載艙的貨艙，一些港口解決了一些港口的貨物裝載問題，這可以通過僅在港口設(shè)計(jì)壓載艙來解決。MSC用于解決結(jié)構(gòu)模型。通過Nastran軟件獲得起重機(jī)加固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值和分布。在三種工況下繪制了起重機(jī)基礎(chǔ)加固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，總結(jié)了各構(gòu)件的最大應(yīng)力結(jié)果。

根據(jù)分布表中的最大應(yīng)力結(jié)果，可得出幾點(diǎn)結(jié)論：（1）在兩種情況下，基礎(chǔ)鋼的應(yīng)力結(jié)構(gòu)相對接近，同一構(gòu)件在工作條件下產(chǎn)生的壓力較高。（2）在這兩種情況下，起重機(jī)基礎(chǔ)加固結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力位于主甲板上，主要位于主甲板與豎井相交的平面上。由骨料，橫艙壁和縱艙壁引起的應(yīng)力和位移相對較小。（3）在工作條件下，主甲板的最大應(yīng)力超過材料的允許應(yīng)力，并且起重機(jī)基座的附加結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)。它在最大負(fù)載和正常工作條件下具有非常好的工作效果。

4 結(jié)語

本文采用有限元法評估改進(jìn)的多用途貨船起重機(jī)基礎(chǔ)加固結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，評估結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，優(yōu)化其高應(yīng)力區(qū)域。根據(jù)分析，產(chǎn)生的最大應(yīng)力鋼筋結(jié)構(gòu)的起重機(jī)基礎(chǔ)優(yōu)化主要是集中在飛機(jī)的前主甲板起重機(jī)圓柱相交，并且在工作條件下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大應(yīng)力超過材料的允許應(yīng)力。基于最小原則的修改，因此，起重機(jī)基礎(chǔ)的鋼筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的區(qū)域高應(yīng)力的位置，主甲板和起重機(jī)管的厚度增加，并且扁平鋼沿深度方向添加在鏟斗中。有效地減小了優(yōu)化的應(yīng)力值，其中起重機(jī)底座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的部件滿足規(guī)范要求，并且加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度足以確保起重機(jī)的安全操作。

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