“天圓地方”接頭在軟管吊底座上的應(yīng)用

黃曉豐

（上海歐得利船舶工程有限公司 上海200023）

引 言

船用軟管吊機(jī)一般裝在各種油輪、化學(xué)品船、LPG （液化石油氣）船，LNG（液化天然氣）船等特殊船舶上，主要用于起吊軟管與油船或氣體船連接的吊裝設(shè)備，解決油船或氣體船裝卸貨物而設(shè)置的起重機(jī)械，也可用于起吊貨物、補(bǔ)給品等各類零星物品。

為減少貨艙內(nèi)部特涂的工作量并便于日后清艙，成品油船的貨艙區(qū)甲板構(gòu)件通常全部設(shè)在貨艙的外面［1］，而一般軟管吊機(jī)布置在貨艙主甲板集管區(qū)的中心。軟管吊通常具有圓柱形筒體。設(shè)計(jì)軟管吊底座時(shí)，如設(shè)計(jì)不當(dāng)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)軟管吊圓柱形筒體與甲板縱骨、縱桁及強(qiáng)橫梁干涉的情況，若將筒體直接與甲板結(jié)構(gòu)連接，就會(huì)出現(xiàn)如下頁(yè)圖1的情形，狹小的空間給施工帶來(lái)較大困難，封閉空間處需采用單面焊透，且此處應(yīng)力較大，容易存在安全隱患。因此需要找到一種結(jié)構(gòu)型式相對(duì)簡(jiǎn)單又便于施工的設(shè)計(jì)方案，且能保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

圖1 新樂(lè)16 500載重噸化學(xué)品船軟管吊基座示意圖

本文以本公司設(shè)計(jì)研發(fā)的一型23 500載重噸成品油船為例，介紹“天圓地方”接頭在軟管吊底座的應(yīng)用。

1 軟管吊基座設(shè)計(jì)

1.1 貨艙主甲板結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)

本船貨艙主甲板采用縱骨架式，貨艙主甲板縱骨上翻，邊艙縱骨下翻，甲板強(qiáng)橫梁與實(shí)肋板和邊艙橫向強(qiáng)框架位于同一平面內(nèi)，在甲板與中縱槽形艙壁和橫向槽形艙壁接頭處設(shè)置兩道縱桁和強(qiáng)橫梁，使之與槽形艙壁面板對(duì)齊，如圖2所示。

1.2 軟管吊布置

本船船寬36 m，為了使軟管吊臂不至于過(guò)長(zhǎng)，船上設(shè)置2個(gè)軟管吊，布置在貨艙甲板兩側(cè)，軟管吊底座落在橫艙壁的上方，如下頁(yè)圖3所示。

圖2 23 500載重噸油船主甲板結(jié)構(gòu)布置示意圖

圖3 23 500載重噸油船主甲板布置示意圖

1.3 軟管吊基座設(shè)計(jì)

通常軟管吊吊機(jī)安裝在較高的位置，吊臂較長(zhǎng)，吊機(jī)在吊運(yùn)物品時(shí)，基座底部將受到較大的彎矩，因此在基座及船體局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)關(guān)注此部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。［2］因本船布置要求，軟管吊位于橫艙壁的上方，軟管圓柱形筒體直徑1.97 m，橫向槽形艙壁上方的兩道強(qiáng)橫梁間距為0.9 m，縱骨間距為0.75 m。如果直接把圓柱形筒體落在主甲板上與甲板結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)接，將出現(xiàn)如圖4所示情形，致使施工困難。

圖4 筒體與甲板結(jié)構(gòu)干涉示意圖

在實(shí)際工程中，多用途船一般把重型克令吊設(shè)置在船舷，而船舷空間有限，最下方筒體通常做成矩形筒體，在吊機(jī)的頂端做成“天圓地方”的過(guò)渡?；谶@個(gè)思路，本船嘗試在軟管吊的底座做成“天圓地方”的接頭與主甲板的方形結(jié)構(gòu)對(duì)接，解決施工困難的問(wèn)題。

本船軟管吊筒體直徑1.97 m，縱骨間距為0.75 m，可考慮在甲板設(shè)置一個(gè)2.25 m×2.25 m或3 m×3 m的正方形底座，底座周圍較弱的結(jié)構(gòu)改為強(qiáng)結(jié)構(gòu)或增設(shè)大肘板以保證基座底部有足夠的抗彎能力，如下頁(yè)圖5所示。

在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)兩個(gè)方案，“天圓地方”的接頭上方為直徑1.97 m的圓，下方為邊長(zhǎng)2.25 m×2.25 m或3 m×3 m的方形，接頭高度取1.7 m，如下頁(yè)圖6所示。

圖5 方形底座示意圖

圖6 “天圓地方”的接頭示意圖

2 軟管吊基座強(qiáng)度校核

2.1 有限元模型

本文采用通用有限元軟件PATRAN建立上述兩個(gè)設(shè)計(jì)方案的有限元模型，坐標(biāo)系與船體坐標(biāo)系（X軸為船長(zhǎng)方向，向首為正；Y軸為船寬方向，向左舷為正；Z軸向上為正）保持一致。模型范圍參考中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》第2篇第3章第7節(jié)3.7.2.6要求［3］。本船模型的范圍為長(zhǎng)度取基座的前后兩個(gè)強(qiáng)框，橫向?yàn)閺闹锌v艙壁到內(nèi)殼艙壁，高度取主甲板以上3.85 m與吊機(jī)筒體對(duì)接處（船廠提供部分）和甲板下1/4型深的艙壁［3］。為計(jì)算更加精確，模型全部采用板單元，網(wǎng)格大小約為100×100。此模型中創(chuàng)建了一個(gè)MPC單元，類型為RBE2，便于施加外載荷。兩個(gè)方案的有限元模型如圖7所示。

圖7 軟管吊基座有限元模型及邊界條件

2.2 邊界條件

模型四周節(jié)點(diǎn)為艙壁和強(qiáng)橫梁處，節(jié)點(diǎn)采用剛性約束，參見(jiàn)上頁(yè)圖7。

2.3 許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

根據(jù)CCS規(guī)范要求，各種工況下，起重設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)和基座板元的等效應(yīng)力σe和剪切應(yīng)力τ應(yīng)不超過(guò)下列許用值［3］：

式中：ReH為材料屈服應(yīng)力，N/mm2。

注：因規(guī)范未給出板元的許用剪切應(yīng)力，故此處參考基于交叉梁系的許用剪切應(yīng)力。

2.4 載荷和工況

軟管吊主要是裝卸油料而設(shè)置的起重設(shè)備。根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)限于港內(nèi)使用的起重設(shè)備，工況校核的載荷應(yīng)包括起重設(shè)備自重及 130% 安全工作負(fù)荷［3］。

校核的載荷通常由廠商資料給出。該軟管吊最大垂向力為563 kN，最大傾覆力矩為7 926 kN·m，最大回轉(zhuǎn)力矩為775 kN·m，載荷施加在MPC單元上。對(duì)于傾覆力矩，其可能作用在水平面內(nèi)的任意方向，且軟管吊及其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)關(guān)于其中心軸的X向和Y向基本對(duì)稱?？紤]到內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)稍弱以及模擬該吊的真實(shí)作業(yè)情況，我們選取第4象限的5個(gè)方向，以及X軸正向和Y軸負(fù)向作為傾覆力矩的工作方向?yàn)榇韥?lái)計(jì)算校核，即X軸正向、-15°、-30°、-45°、-60°、-75°方向以及 Y 軸負(fù)向（如圖8所示），工況取值見(jiàn)表1。

2.5 屈服計(jì)算結(jié)果

圖8 軟管吊受力示意圖

表1 各個(gè)工況載荷取值

通過(guò)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，在各個(gè)工況中，方案1傾覆力矩的工作方向與船長(zhǎng)方向成90°（即工況7），方案2傾覆力矩的工作方向與船長(zhǎng)方向成45°（即工況4）時(shí)，軟管吊基座所承受的載荷最大，此時(shí)結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力和剪切應(yīng)力最大。方案1、方案2計(jì)算結(jié)果的單元應(yīng)力云圖見(jiàn)下頁(yè)圖9 -圖12，計(jì)算結(jié)果應(yīng)力值見(jiàn)下頁(yè)表2。

綜合表2結(jié)果，兩個(gè)方案出現(xiàn)的最大應(yīng)力區(qū)域都出現(xiàn)在“天圓地方”接頭與軟管吊筒體的接頭處，且方案2在此處的計(jì)算結(jié)果超出規(guī)范許用應(yīng)力要求；底座結(jié)構(gòu)中，由于方案1的2.25 m×2.25 m方形底座比方案2的3 m×3 m的方形底座小，而兩者承受的外力一致，因此剖面模數(shù)較小的方案1在底座結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力相比方案2大，但仍可以滿足CCS的屈服強(qiáng)度衡準(zhǔn)。

圖9 方案1 工況7 單元等效應(yīng)力云圖

圖10 方案1 工況7 單元剪切應(yīng)力云圖

圖11 方案2 工況4 單元等效應(yīng)力云圖

圖12 方案2 工況4 單元剪切應(yīng)力云圖

表2 兩個(gè)方案在最嚴(yán)重工況下計(jì)算結(jié)果最大應(yīng)力值匯總N/mm2

2.6 屈曲校核

按照CCS規(guī)范要求，起重設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)和基座還需校核支撐結(jié)構(gòu)抗屈曲失效的能力。在有限元計(jì)算中，可以通過(guò)Nastran中特有的特征抽取算法判斷出模型的臨界失穩(wěn)點(diǎn)，給出屈曲因子。屈曲載荷=屈曲因子×實(shí)際載荷，當(dāng)屈曲因子＞1時(shí)，說(shuō)明在實(shí)際極限載荷的作用下不發(fā)生屈曲，滿足屈曲強(qiáng)度要求［4］。本文最終選擇設(shè)計(jì)方案1，接下來(lái)對(duì)方案1進(jìn)行屈曲校核。下頁(yè)圖13 -圖14為方案1在工況7下一階、二階屈曲立體位移云圖和屈曲平面應(yīng)力云圖。其中，一階屈曲模態(tài)（屈曲因子Factor 1=4.996 1）；二階屈曲模態(tài)（屈曲因子Factor 2=5.647 2）。

圖13 方案1 工況7 一階屈曲立體位移云圖和屈曲平面應(yīng)力云圖

圖14 方案1 工況7 二階屈曲立體位移云圖和屈曲平面應(yīng)力云圖

從計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方案1基座能夠滿足CCS規(guī)范的屈曲強(qiáng)度要求。綜合屈服屈曲校核結(jié)果，設(shè)計(jì)方案選用方案1更優(yōu)。

3 “天圓地方”接頭設(shè)計(jì)分析的相關(guān)討論

3.1 “天圓地方”接頭角度的影響

如前所述，方案2在“天圓地方”接頭與軟管吊筒體接頭處的應(yīng)力水平之所以比方案1差，初步判斷是因方案2的接頭處過(guò)渡角度較大。方案1的接頭處過(guò)渡角度較為平緩，故可減小應(yīng)力集中的發(fā)生。以下針對(duì)“天圓地方”接頭與軟管吊筒體的接頭處過(guò)渡角度對(duì)應(yīng)力集中的影響進(jìn)行研究。鑒于方案1的方形底座邊長(zhǎng)與筒體直徑相差較小，調(diào)整高度對(duì)天圓地方”接頭與軟管吊筒體的接頭處的角度影響不大，因此用方案2的模型進(jìn)行分析對(duì)比。

方案2在接頭處的角度為163°，通過(guò)調(diào)整“天圓地方”接頭的高度來(lái)調(diào)整接頭處的角度。修改模型，使角度分別為 165°、167.5°、170°、172.5°和175°，然后計(jì)算接頭處的應(yīng)力水平。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，模型如下頁(yè)圖15所示。

表3 方案2 不同角度在最嚴(yán)重工況下計(jì)算結(jié)果最大應(yīng)力值匯總N/mm2

由表3結(jié)果表明：隨著“天圓地方”接頭處角度漸趨平緩（即接頭高度越來(lái)越高），接頭處的應(yīng)力水平逐漸減小，而且非常明顯。

圖15 接頭處角度分別為165°、167.5°、170°、172.5°、175° 的模型

3.2 “天圓地方”接頭有限元模型中圓柱形筒體高度的影響

如前所述的“天圓地方”接頭有限元模型中，最上方圓柱形筒體都取0.65 m。本文采用RBE2的MPC單元來(lái)施加外載荷，包括傾覆力矩。這樣的加載方法與圓柱形筒體的高度無(wú)關(guān)，而且整個(gè)軟管吊筒體上的傾覆力矩將保持一致。但由于最終的應(yīng)力結(jié)果顯示高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在圓柱形筒體與方形底座的接頭過(guò)渡區(qū)，因此以下將考察圓柱形筒體的高度（即MPC的高度）對(duì)基座的計(jì)算結(jié)果是否有影響。其中，“天圓地方”接頭高度保持不變。

以下通過(guò)修改方案1模型最上方圓柱形筒體的高度進(jìn)行計(jì)算分析，圓柱形筒體高度分別取1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m，其計(jì)算結(jié)果應(yīng)力值見(jiàn)表4，模型如圖16所示。

表4 方案1 不同圓形筒體高度在最嚴(yán)重工況下計(jì)算結(jié)果最大應(yīng)力值匯總N/mm2

圖16 最上方圓形筒體高度接頭處角度分別為1 m，1.5 m，2 m，2.5 m，3 m 的模型

表4結(jié)果表明，只要“天圓地方”接頭高度保持不變，有限元模型中軟管吊最上方圓柱形筒體的高度對(duì)接頭處的應(yīng)力基本沒(méi)有影響，但為避開(kāi)接頭處的高應(yīng)力區(qū)域，建議MPC的高度離接頭處稍微遠(yuǎn)些，除非實(shí)際情況中，軟管吊吊機(jī)離“天圓地方”接頭處就很近。

3.3 “天圓地方”接頭處的應(yīng)力改善措施研究

如前所述，增大“天圓地方”接頭處的角度（即增大接頭高度）可以改善接頭處的應(yīng)力。但如因布置原因或吊機(jī)高度限制等，無(wú)法通過(guò)調(diào)整“天圓地方”接頭的高度來(lái)改變接頭處的應(yīng)力水平，可考慮增加接頭處板厚或在接頭處增設(shè)圈筋或肘板。

在接頭處增加板厚需要在“天圓地方”接頭增設(shè)板縫，增加了加工難度，故不作推薦。本文以方案2作為研究對(duì)象，采用上述后兩種方法對(duì)接頭處進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)并計(jì)算校核。計(jì)算結(jié)果的單元應(yīng)力云圖見(jiàn)圖17 -圖18，計(jì)算結(jié)果應(yīng)力值見(jiàn)表5。

圖18 方案2 工況4 增設(shè)肘板后“天圓地方”接頭處單元等效應(yīng)力及剪切應(yīng)力云圖

表5 方案2 在工況4下不同補(bǔ)強(qiáng)方法的計(jì)算結(jié)果最大應(yīng)力值匯總N/mm2

表5結(jié)果表明，兩種方法對(duì)減小“天圓地方”接頭的高度來(lái)調(diào)整接頭處的應(yīng)力都有所幫助，能有效降低接頭處的應(yīng)力水平。

但考慮到“天圓地方”接頭由平面和曲面組成，當(dāng)采用增設(shè)肘板的補(bǔ)強(qiáng)方法時(shí)，肘板形狀不規(guī)則，腹板高度較小，需要較大的板厚才能保證強(qiáng)度要求，且需要考慮與“天圓地方”接頭板縫錯(cuò)開(kāi)，存在一定的局限性。因此，補(bǔ)強(qiáng)方法建議在接頭處增設(shè)圈筋。

3.4 “天圓地方”接頭板縫劃分

“天圓地方”接頭由4個(gè)平面和4個(gè)曲面組成，在設(shè)計(jì)過(guò)程需預(yù)先考慮好工藝問(wèn)題。如果在平面與曲面接頭處設(shè)置焊縫，將造成下口矩形尖點(diǎn)處多條焊縫匯集。此時(shí)便需要開(kāi)角隅孔以避免多條焊縫相交于一點(diǎn)，并采用復(fù)板封堵，但這樣處理卻容易造成此處應(yīng)力過(guò)大，存在安全隱患。

目前業(yè)界一般采用下頁(yè)圖19所示兩種板縫劃分方法。4條板縫設(shè)置在平面或曲面的中間，平面與曲面過(guò)渡采用折邊壓制的方法。下口矩形尖點(diǎn)處避開(kāi)焊縫相交，無(wú)需開(kāi)角隅孔，焊縫布置也合理，而且大大減小了筒體焊接工作量［5-7］。

圖19 “天圓地方”的接頭焊縫劃分的2種推薦方案

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)設(shè)計(jì) “天圓地方”接頭，解決了軟管吊圓柱形筒體與主甲板結(jié)構(gòu)直接連接可能帶來(lái)的施工和強(qiáng)度問(wèn)題。通過(guò)不同方案的有限元計(jì)算對(duì)比，分析了方形底座大小以及“天圓地方”接頭高度等因素對(duì)接頭強(qiáng)度和基座強(qiáng)度的影響，得出如下結(jié)論：

（1）對(duì)于承受相同外載荷的“天圓地方”接頭（構(gòu)件尺寸相同）設(shè)計(jì)而言，方形底座較小的方案因方形截面剖面模數(shù)減小，將導(dǎo)致方形底座區(qū)域應(yīng)力增大；但“天圓地方”接頭的高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在接頭附近。

（2）“天圓地方”接頭與軟管吊筒體的接頭處的角度對(duì)接頭處的應(yīng)力影響較大。在方形底座尺寸確定后，接頭處角度越平緩（越大），接頭處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力就越小，但相應(yīng)的接頭高度將越高。

（3）當(dāng)“天圓地方”接頭高度受限時(shí)，可通過(guò)在接頭處增設(shè)圈筋或者增設(shè)肘板來(lái)降低接頭處的應(yīng)力水平。相較而言，增設(shè)圈筋改善應(yīng)力措施更為適宜。

相關(guān)的設(shè)計(jì)分析結(jié)論和建議對(duì)解決“天圓地方”接頭的實(shí)際工程設(shè)計(jì)問(wèn)題具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。

但本文開(kāi)展的軟管吊基座強(qiáng)度評(píng)估中，只考察了局部強(qiáng)度，并未考察甲板構(gòu)件的總縱強(qiáng)度，主要原因是認(rèn)為軟管吊的工作場(chǎng)景多為在港工況，此時(shí)甲板構(gòu)件的總縱應(yīng)力相比航行工況時(shí)小。然而，更合理的強(qiáng)度校核應(yīng)采用直接法在較大范圍的有限元模型中考慮船體梁總縱應(yīng)力和軟管吊基座局部應(yīng)力的耦合。在實(shí)船設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)適當(dāng)增厚軟管吊基座附近的甲板板厚，基座附近甲板縱骨斷開(kāi)處設(shè)置端部肘板，并且對(duì)趾端作軟趾處理，避免因應(yīng)力集中產(chǎn)生疲勞問(wèn)題。