某科考船起重设备甲板结构强度分析与探讨

余 倩，范 铭，高海军，张重洋，徐幼娟，叶 帆

(武汉船舶设计研究院有限公司，湖北武汉430064)

0 引言

某科学考察船甲板上安装的液压折臂吊机主要用于布放回收科考作业设备及辅助工作艇。液压折臂吊的工作特点是负载大、力臂长、作业海况复杂，导致其倾覆力矩和回转力矩较大，往往对甲板及其支撑结构有较高的强度要求［1-2］。随着有限元分析方法的普及和应用，船舶结构的强度分析和计算校核也越来越多地采用有限元分析方法。张超［1］通过对结构应力变形结果进行分析，确定主要破坏载荷和载荷传递的方式及强度不足的部位和原因。李强［2］阐述了甲板设备支撑结构有限元结构分析方法，以及在加载过程中应该注意的受力转换。本文以某科学考察船为例，采用ANSYS有限元计算软件，分析和探讨甲板支撑结构的加强方案和效果，为科考船的结构设计提供借鉴和参考。

1 船舶基本情况

1．1 船舶主要参数

总长 45．0 m

船宽 8．4 m

型深 4．0 m

设计吃水 2．6 m

肋骨间距 0．5 m

1．2 参考规范

本船结构分析依据《钢质海船入级规范》(2012)、《国内航行海船建造规范》2014综合文本、《船舶与海上设施起重设备规范》(2007)等。

1．3 材料特性

本文所涉及的主甲板结构和船艉结构的钢材均为船用结构钢B级，材料特性及屈服强度见表1。

表1 船用钢材料特性及屈服强度

1．4 许用应力

按照《国内航行海船建造规范》2014综合文本第3．5．1．12条要求，在各种工况下，甲板支承结构(船体用结构钢B级)的计算应力应不大于表2中的许用值。

表2 结构的许用应力

2 无加强结构的舱段模型计算

2．1 舱段模型

由于吊机中心位于Fr16横舱壁上的甲板中线面内，所以局部强度计算模型根据Fr10至Fr22的船体结构及吊机基座下的结构进行建模。在ANSYS三维笛卡尔坐标系中建立起重设备甲板支撑结构立体舱段(Fr10至Fr22)有限元计算模型。以平行基线850 mm的水平线与Fr10交点为坐标原点，船长方向为X轴，正方向由船艉指向船首;舱宽方向为Y轴，正方向由船中指向左舷;型深方向为Z轴，正方向由基线指向甲板。计算中将甲板板及基座板、横舱壁板和舷侧外板、船底板均用Shell181板壳单元离散，将甲板、舷部外板、横舱壁板以及船底板上的纵横构架均采用Beam188梁单元离散。

立体舱段三维有限元计算模型如图1所示。模型中单元总数6 478个，其中Shell63单元4 429个，beam188单元2 048个，MASS21单元1个。

图1 有限元计算模型

2．2 边界条件

根据实际情况，在Fr10船体结构的边缘与Fr22船体结构的边缘施加简支边界条件，具体情况见表3。表中，rot为自由转动。

表3 边界条件表

参考相关计算分析指南，还应将起重吊机支撑中心建立1个独立点MPC，将起重吊机基座下的有关节点的 ux，uy，uz，θx，θy，θz与其相关联，即建立刚性域，其模型图如图2所示。

图2 边界条件和刚性域

2．3 施加载荷

根据起重设备厂商提供的主要性能参数及设计参数，吊机中心高度为甲板以上5 000 mm。当吊机吊起2 t重物并以最大回转半径工作时，液压折臂吊机对甲板的最危险作用力矩(颠覆力矩)Mmax为180 kN·m，对甲板最大压力 Fzmax为 55．0 kN，此时作用在甲板上的最大回转力矩M为30．0 kN·m，假设其作用于吊杆支撑中心独立点MPC位置。鉴于吊机可以在360°范围内全回转，本文以3种极端工况来进行分析。假定当吊臂朝向右舷－Y轴方向为0°作为第1种工况，第2种工况是吊臂转向船艉，也就是与Y轴成90°的－X方向，而吊臂向后旋转45°可作为第3种工况，其数值见表4。表中载荷位置见图2。

表4 3种工况计算载荷表

2．4 计算结果及分析

计算结果见表5，应力云图如图3～图5所示。

由表5可以看出，3种工况下立体舱段板单元的最大相当应力和最大剪切应力均满足许用应力要求;工况1和工况3下梁单元的最大相当应力满足许用应力要求，而工况2则超出许用范围。

由以上计算结果可以看出，工况2倾覆力矩沿船宽方向施加时，在Fr13至Fr16和Fr16至Fr19甲板区域会产生很大的弯矩，而甲板横向多为次要构件，纵向主要构件间距太大，甲板无加强支撑结构，仅有交叉构件承担载荷作用，因此甲板产生高应力区域，最大相当应力为156．82 MPa，已偏于危险;交叉构件梁单元的相当应力值为223．36 MPa，大于梁单元许用应力［σ］，如果不进行结构加强则可能对结构造成破坏。

3 加强结构的模型计算和分析

3．1 舱段模型和边界条件

由以上的计算和分析可以看出，立体舱段仅在工况2的载荷作用下，梁单元的相当应力大于许用应力，不能满足规范要求，因此，本文仅进行工况2的计算和分析，边界条件不变。3种工况下的板单元剪切应力均已满足规范要求。

表5 典型工况下模型主要构件计算结果

图3 甲板、横舱壁、基座和梁单元的相当应力云图(工况1)

图4 甲板、横舱壁、基座和梁单元的相当应力云图(工况2)

图5 甲板、横舱壁、基座和梁单元的相当应力云图(工况3)

3．2 加强结构方案描述

方案1:将甲板横梁改为强横梁，即将角钢L75 mm×50 mm×5 mm改为⊥

方案2:增加甲板纵桁的数量。

方案3:将基座下甲板厚度增加至20 mm。

方案4:在Fr15和Fr17船中各增加Ф108 mm支柱2根，支柱的上底座安装在甲板中纵桁上，下底座安装在中内龙骨上。

3．3 计算结果及分析

计算结果见表6，应力云图分别见图6～图9。

图6 甲板、横舱壁、基座和梁单元的相当应力云图(方案1)

图7 甲板、横舱壁、基座和梁单元的相当应力云图(方案2)

图8 甲板、横舱壁、基座和梁单元的相当应力云图(方案3)

图9 甲板、横舱壁、基座和梁单元的相当应力云图(方案4)

由以上结果可以看出，方案3虽然增加了甲板厚度，但并未改变甲板和横舱壁交叉构件的结构形式，因此对提高结构强度效果不明显。甲板交叉构件梁单元的相当应力为185．72 MPa，仍大于许用应力［σ］，且横舱壁上的交叉构件梁单元的相当应力为144．45 MPa，也偏于危险，方案3不可选用。但考虑几种方案的相当应力分布情况，为防止基座肘板端部与船体甲板焊接处应力集中而造成甲板破坏，基座下甲板还应加厚2～3 mm。

方案1将甲板横梁改为强横梁，看似并未对纵向加强，但实际上，强横梁与甲板纵桁形成了横向的T型材箱体结构。未作加强前，横向次要构件剖面模数和惯性矩与纵向主要构件不匹配，而倾覆力矩通过基座主要传递到Fr15和Fr17甲板上，因此在Fr15和Fr17甲板中纵桁上形成高应力点。经方案1改进结构，横向和纵向均为主要构件，剖面模数匹配，因此高应力点消除，原本集中的应力分散到周围各个交叉点，甲板交叉构件的相当应力有明显降低，在一定程度上起到加强甲板纵向结构的作用，效果较显著。考虑到实际施工时，需特别注意一点，如果舱段施工建造后再进行更改，则较为费工费时。

方案2增加甲板纵桁的数量，与强横梁一起形成纵向的T型材箱式结构。未作加强前，倾覆力矩通过基座主要传递到Fr15和Fr17甲板上，纵向主要构件之间间距较大，产生的剖面惯性矩偏大，因此在Fr15和Fr17甲板中纵桁上形成高应力点。方案2增加甲板纵桁数量后，纵向构件间的跨距大大降低，甲板纵桁产生的剖面惯性矩降低，高应力点消除，集中应力分散。方案2增强了甲板纵向的承载能力，效果显著，即使舱段已经施工建造完成，也能快速进行更改，施工难度小，可行性高，因此方案2可选。

表6 加强结构模型主要构件计算结果

方案4采用2根支柱支撑在纵向构件与横向构件的交叉点上。未作加强前，倾覆力矩通过基座主要传递到Fr15和Fr17甲板上，甲板构件交叉点处于无支撑状态，承载长度和宽度较大，大面积的载荷集中在构件交叉点上，产生高应力点。在Fr15和Fr17船中增加支柱后，构件交叉点被支柱支撑，承载的长度和宽度均大大降低，载荷面积减小，集中应力分散。方案4增强甲板纵向的承载能力，效果显著，且施工难度不大。结合本船的实际情况，在征得总体设计人员同意且不影响主机和轴系安装的前提下，可行性高，因此方案4可选。

4 结论

(1)在可选的安装范围内，建议将甲板起重设备设置在垂向舱壁上。本文起重设备已经确定安装在有横舱壁的甲板上，因此舱段结构的加强主要集中在纵向，也就是船长方向。

(2)增加甲板纵桁数量和增加甲板下支柱2种方案能大幅提高舱段结构强度，效果显著，便于施工，在船舶设计中均可考虑。

(3)由于本船Fr16至Fr35甲板下为机舱区域，因此，增加支柱时还应考虑施工是否方便，不能影响主机、轴系等重要设备的安装。

［1］ 张超，纪肖，凌伟．起重机基座支撑结构强度分析［J］．船海工程，2014，43(6):54-59．

［2］ 李强．甲板设备支撑结构有限元计算［J］．中国水运，2013，13(6):84-86．

［3］ 吕厚波，冉建华．40 000 DWT散货船锚机底座及支撑结构强度分析［J］．江苏船舶，2014，31(1):1-3．

［4］ 郦羽，张海华，蒋武杰，等．锚绞机支撑结构的强度分析［J］．船海工程，2015，44(1):37-39．

［5］ 杨高胜，屈平，谢永和．深水绞机甲板支撑结构有限元结构分析［J］．中国水运，2010，10(12):110-111．