油船貨油軟管吊基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張星，王利山，徐綠洲,張偉

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

油船上的貨油軟管吊用于吊運(yùn)主甲板上的輸油管及其他物品等。通常吊機(jī)安裝位置較高，這也要求有相應(yīng)較高的基座。吊機(jī)在吊運(yùn)物品時(shí)，基座底部受較大彎矩，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)注這部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[1]。本文運(yùn)用有限元方法，對(duì)公司某型11.4萬(wàn)t冰區(qū)阿芙拉成品油船的軟管吊基座及其支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)在滿足規(guī)范的強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上布置更合理，便于現(xiàn)場(chǎng)施工，同時(shí)保證主船體結(jié)構(gòu)的完整性。

1 船型概況

11.4萬(wàn)t阿芙拉成品油船采用雙殼、雙底結(jié)構(gòu)，需滿足冰區(qū)ICE 1C，設(shè)計(jì)和建造難度較大。該型船共有6個(gè)貨油艙，其中3艙為風(fēng)暴壓載艙，2臺(tái)貨油軟管吊布置在4艙主甲板上，該吊機(jī)主結(jié)構(gòu)為圓柱形設(shè)計(jì)，臂架為箱形結(jié)構(gòu)，左右舷對(duì)稱。軟管吊布置見(jiàn)圖1。

圖1 11.4萬(wàn)t阿芙拉成品油船軟管吊布置主視圖

2 有限元建模分析

2.1 建立有限元模型

軟管吊在工作時(shí)主船體局部受力，因此運(yùn)用PATRAN建模時(shí)需要將受影響的主船體包含在內(nèi)，吊車基坐位于沿船長(zhǎng)FR70+1 530，沿船寬甲板縱骨DL14的位置。綜合評(píng)估后，模型的范圍為船長(zhǎng)方向取FR69-1 000～FR72，總長(zhǎng)14.08 m；寬度取左舷CL6～CL22，總寬13.12 m；高度方向取主甲板以下3 m至基座頂端，總高5.437 m。單元網(wǎng)格大小為200 mm×200 mm,坐標(biāo)系與船體坐標(biāo)系一致，基于結(jié)構(gòu)總尺寸進(jìn)行評(píng)估，模型主船體邊界所有節(jié)點(diǎn)剛性約束，見(jiàn)圖2。

圖2 基座加強(qiáng)有限元約束條件和板厚屬性

設(shè)計(jì)軟管吊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)主要由3部分組成。

1)筒形加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，350 mm×20 mm_AH32,用315高強(qiáng)度鋼與軟管吊基座在甲板處對(duì)接。

2)對(duì)與筒形結(jié)構(gòu)加強(qiáng)相關(guān)的3道縱骨做局部加強(qiáng),同樣使用315高強(qiáng)度鋼，T排尺寸增加到1 200×20+200×20_AH32，縱骨連接處用肘板平穩(wěn)過(guò)度。

3)橫向用一道16 mm厚、550 mm的315高強(qiáng)度鋼的加強(qiáng)筋連接縱向結(jié)構(gòu)。

2.2 規(guī)范衡準(zhǔn)

研究船型需要同時(shí)滿足HCSR共同規(guī)范[2]和OCIMF油船規(guī)范的要求。對(duì)于軟管吊，設(shè)計(jì)載荷應(yīng)取1.3倍安全工作載荷加起重設(shè)備自重，支撐結(jié)構(gòu)作用力的許用值：

正應(yīng)力為0.67ReH，剪切應(yīng)力為0.39ReH。ReH為材料屈服應(yīng)力，MPa。

2.3 基座受力

軟管吊規(guī)格為15T 3.9-19 m，根據(jù)設(shè)備廠商提供的數(shù)據(jù)，吊車本身自重為24 t，受力見(jiàn)表1。

表1 軟管吊對(duì)甲板的作用力

2.4 加載工況

根據(jù)軟管吊的工作軌跡，分析5種作業(yè)工況，見(jiàn)圖3。

圖3 軟管吊加載工況的吊桿位置

以吊桿中心線的位置為準(zhǔn)，分別平行、垂直、45°夾角于船中縱剖面，涵蓋主船體極端受力的典型工況[3]。在有限元模型中建立不同的局部坐標(biāo)系，按照實(shí)際情況加載，分析這5種工況下基座、主船體和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的受力和變形情況。

基座受力在有限元軟件中模擬為作用在RBE2型MPC上，垂向力、徑向力、彎矩以及轉(zhuǎn)矩均加載在軟管吊筒型基座的頂端同心圓圓心，受力點(diǎn)通過(guò)MPC連接筒型基座頂部每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)，借由這種形式將力傳遞到基座和主船體結(jié)構(gòu)及加強(qiáng)區(qū)域[4]。

結(jié)合HCSR共同規(guī)范規(guī)定的1.3倍安全系數(shù)和吊車本身自重，軟管吊基座MPC的受力加載見(jiàn)表2。

表2 各工況下MPC加載的力

2.5 有限元計(jì)算初始結(jié)果

在初始方案中，軟管吊基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)包括主甲板面主要采用高強(qiáng)度鋼AH32，這種鋼級(jí)的屈服應(yīng)力為315 MPa，正應(yīng)力和剪切應(yīng)力的許用值分別為211 MPa和122.85 MPa。比較5種工況下的正應(yīng)力(x方向和y方向)和剪切應(yīng)力最大值和許用值，見(jiàn)表3。

表3 各工況下正應(yīng)力和剪切應(yīng)力最大值 MPa

工況3下主船體和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)受到的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力最為嚴(yán)重，工況3加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力分布圖4。

圖4 LC3工況下剪切應(yīng)力分布(甲板以下)

如圖4所示，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在短縱桁與甲板、圓筒基座接觸的位置。因此，加強(qiáng)方案需要根據(jù)規(guī)范要求和生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)應(yīng)力最大的板格區(qū)域進(jìn)行局部加強(qiáng)，并保證主要構(gòu)件變形在可控范圍內(nèi)[5]。

3 加強(qiáng)方案對(duì)比

隨著軟管吊吊運(yùn)角度和軌跡的變化，這5種典型工況在相同大小力的作用下對(duì)船體結(jié)構(gòu)的影響是不同的。根據(jù)初始結(jié)果，在垂直于總縱剖面的工況下剪切應(yīng)力值達(dá)到了最大值。為了改善接觸處的高應(yīng)力情況，一般考慮采用4種方法：①增加結(jié)構(gòu)的局部板厚；②將高強(qiáng)度鋼的鋼級(jí)由AH32升級(jí)為有著更高屈服應(yīng)力的AH36；③改變加強(qiáng)形式和結(jié)構(gòu)布局；④變動(dòng)軟管吊安裝位置。

以下分析2種加強(qiáng)方案，在貼合現(xiàn)場(chǎng)施工的基礎(chǔ)上力求找到最佳設(shè)計(jì)。

3.1 方案1

以高應(yīng)力區(qū)局部加板厚和更改結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的形式展開(kāi)。如圖5所示，位于兩側(cè)的兩道短縱桁局部厚度加厚，板厚由“20_AH32”變?yōu)?“33_AH32”和“24_AH32”,為便于現(xiàn)場(chǎng)施工，原整圓形加強(qiáng)筋在和甲板縱骨DL13和DL15交接的地方中斷，橫向連接2根規(guī)格為“FB350×22_AH32”的加強(qiáng)筋，與圓形加強(qiáng)筋規(guī)格相同，這樣可有效避免應(yīng)力集中和焊接困難2種弊端。

圖5 軟管吊結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)方案1

由有限元計(jì)算得到，模型應(yīng)力分布，見(jiàn)表4和圖6。

表4 方案1各工況下應(yīng)力最大值 MPa

圖6 LC3工況下剪切應(yīng)力分布(主甲板以下加強(qiáng)區(qū)域)

數(shù)據(jù)顯示加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力值均達(dá)到規(guī)范要求，在許用值范圍內(nèi)。對(duì)比前后2種加強(qiáng)方案，由表5可知，在最嚴(yán)重工況下，相關(guān)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的受力明顯減小，正應(yīng)力最大下降19%，剪應(yīng)力最大下降40%。

表5 方案1與初始方案工況3(LC3)的應(yīng)力對(duì)比

3.2 方案2

本冰區(qū)阿芙拉成品油船設(shè)置的2臺(tái)軟管吊位于4艙主甲板左右兩舷，縱向設(shè)置在相鄰2個(gè)強(qiáng)橫梁之間，橫向沒(méi)有像甲板強(qiáng)橫梁這種主要構(gòu)件的有效支撐，這與常規(guī)僅配置1臺(tái)軟管吊且放置于中縱艙壁和甲板強(qiáng)橫梁交界處的設(shè)計(jì)有明顯區(qū)別，要求吊車基座的加強(qiáng)需要擁有更加強(qiáng)有力的抗結(jié)構(gòu)失效能力來(lái)滿足HCSR共同規(guī)范。

方案2是在方案1的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)上,將2臺(tái)軟管吊縱向位置設(shè)計(jì)成布置在4艙主甲板的強(qiáng)橫梁處，基座的縱向加強(qiáng)橫跨兩檔，由主甲板橫梁作為主要支撐構(gòu)件,見(jiàn)圖7?；芰η闆r見(jiàn)表6。

圖7 軟管吊結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)方案2

表6 方案2各工況下基座應(yīng)力最大值 MPa

對(duì)比方案2和初始方案，表7中數(shù)據(jù)顯示方案2中各工況下的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于規(guī)范許用值，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)更加有效，同時(shí)也證明軟管吊在主船體的定位對(duì)基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有很大的影響。

表7 方案2與初始方案在工況3(LC3)的應(yīng)力對(duì)比

4 結(jié)論

船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案應(yīng)滿足規(guī)范要求，同時(shí)使結(jié)構(gòu)最優(yōu)，保證工藝簡(jiǎn)單、施工便捷[6]。文中各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示，軟管吊的基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)受力與軟管吊安裝位置、吊裝角度、吊裝能力密切相關(guān)。在選取的5種典型工況中，吊臂垂直于總縱剖面時(shí)，甲板下方的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)受到的剪切應(yīng)力最大。所提出的2種設(shè)計(jì)方案，方案1是在不改變軟管吊和主船體相對(duì)位置的前提下，采用局部加強(qiáng)，改變結(jié)構(gòu)形式的方法直接指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)修正；方案2是假設(shè)將軟管吊基座位置設(shè)計(jì)在主船體橫梁處，在相同工況下基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力大幅降低。由此可見(jiàn)，在設(shè)計(jì)初期，如果能將軟管吊等設(shè)備的基座結(jié)構(gòu)局部受力的因素考慮在內(nèi)，合理配置軟管吊規(guī)格、安裝位置等各種參數(shù)，將更有利于主船體結(jié)構(gòu)的整體性，縮短船舶的設(shè)計(jì)周期。