李 强，刘少元，刘 阳，张 朝，蒙嘉琿

(北京高泰深海技术有限公司，北京 100011)

多功能船主吊机区域局部强度计算

李 强，刘少元，刘 阳，张 朝，蒙嘉琿

(北京高泰深海技术有限公司，北京 100011)

多功能船是为了满足海洋工程的发展需要所产生的特种工程船舶，实现了工程经济性与工程实用性的密切结合。借助有限元软件对多功能船主吊机区域局部结构进行分析，描述建立这种复杂不规则模型时需要运用的技巧，建立多功能船主吊机区域局部结构有限元模型，阐述多功能船主吊机区域局部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。所得到的多功能船主吊机区域局部结构有限元分析结果对同类型船舶的吊机区域局部结构设计和强度分析有一定的参考价值。

多功能船；主吊机区域局部结构；有限元；结构强度

0 引 言

海洋工程多功能船（Multi-Purpose Vessel，MPV）是为了满足海洋工程的发展需要所产生的特种工程船舶。通过多年的发展，MPV实现了工程经济性与工程实用性的密切结合，以出色的设计指标和性能备受船东青睐。目前在该类船型最发达的欧美国家，尤其是美国、挪威等国，正逐步将该领域的技术领先优势进一步扩大[1]。

我国水下工程的发展时间较短，目前通过租赁和购买可以解决一部分的水下工程作业需要，但由于国内不具备此类船型的开发与设计能力，因此受制于船舶租赁商，往往付出较高昂的代价。通过改装或利用常规三用工作船作为水下工程作业载体，又受制于船舶性能与作业环境的不匹配，大大减少了作业能力。因而充分了解现今此类船舶的发展现状和趋势，对于扭转这一被动落后的局面，研制具有我国自主知识产权的能够赶超国际先进水平的MPV有着重要的现实意义。

有限单元法作为一种有效的数值模拟方法，目前已广泛应用于众多工程领域，如机械、土木、船舶、航空、航天等[2]。近几年随着我国船舶工业的迅猛发展，伴随着一些新船型、新材料的出现和应用，有限元分析方法迅速成为船舶设计和解决超出规范公式计算适用范围船舶的主要工具。本文对多功能船主吊机区域局部结构按照中国船级社《船舶与海上设施起重设备规范》[3]（2007）有关章节进行有限元计算分析。

1 多功能船主吊机区域局部结构有限元模型的建立

1.1 船体基本结构说明

本船是带首侧推、伸缩式全回转推进器，由柴油机电力推进系统驱动全回转定螺距舵桨装置的海洋工程支持船。可在大多数气候状况下作业并且具有极好的操纵性、耐波性和定位能力。主尺度及主要参数见表1。

表1 主尺度及主要参数值Tab. 1 Main dimensions and main parameter values

1.2 模型范围

纵向：FR22～FR67；

横向：船中至右舷边线；

垂向：船底甲板至主甲板。

仅模型化船体结构的右舷，图1给出了有限元模型整体和局部细节图。

图1 有限元模型图Fig. 1 The FE model

1.3 坐标系

模型的坐标系取右手坐标系。模型总体坐标系的原点位于横剖面FR0、水平基线平面和船宽中线的交点处；X轴沿船体纵向指向船首；Y轴沿船宽方向指向左舷侧；Z轴沿船体垂向从船底指向主甲板。

1.4 单元

按照本船的型线、各构件设计尺寸、板厚、截面、开孔等，建立结构的三维有限元模型，模型中主要采用以下2种单元：

壳单元（Shell）。模拟甲板、舷侧外板、内壳板、船底板、横舱壁等板壳结构，船底纵桁、实肋板，舷侧纵桁、甲板纵桁、强横梁、主肋骨等强构件的腹板以及较大的肘板。壳单元主要采用四边形矩形单元，网格大小以纵骨间距和肋距为基准，边长比不超过1∶2。

梁单元（Beam）。模拟各种梁结构的纵骨、横梁、普通肋骨、舱壁加强筋、支柱、桁架等杆件结构，以及纵桁、强框架等强构件的面板和肘板的折边等。梁单元在模型中依壳单元的边界建立，同时按照设计图纸考虑各个构建的实际截面、方向和偏心。

模型中对结构进行适当简化，忽略小肘板等。这些简化，一是基于对结果的极小影响，一是基于保守的考虑，如小肘板的省略[4]。有限元网络的划分采用肋骨间距尺寸单元，局部地区近似为100 mm。

1.5 材料参数

杨氏模量：E=2.06×103 MPa，

泊松比：γ=0.3，

质量密度：ρ=7.85×10–6kg/mm3。

2 载荷计算施加

2.1 载荷

在吊机下的舱段上选取恰当的位置和方式，加载总体载荷与局部载荷，包括垂向弯矩、舷外水压力与液舱液体压力等[5]。

根据吊机制造商的信息，载荷作用在距主甲板1 300 mm的吊机底座上，载荷值如表2所示。

表2 计算所取的载荷Tab. 2 The load of calculation

2.2 边界条件

边界条件的假定应以不影响模型中心所考察单元的计算结果为原则[6]。一般可考虑设置自由支持或固支，模型实际的边界条件如表3所示。

2.3 计算工况

主吊机可以360°旋转，所以主吊机的支撑结构所承受的载荷按30°或45°旋转变化，计算工况如图2所示[7]。

表3 计算所取的边界条件Tab. 3 The boundary condition of calculation

图2 计算工况Fig. 2 The calculation condition

3 强度评估

3.1 强度评估标准

根据相关图纸，多功能船主吊机区域钢材材料包括CCS-A和CCS-36，再参考《钢质海船入级与建造规范》[8]与《船舶与海上设施起重设备规范》（2007），屈服强度评估标准如表4所示。

表4 规定的许用应力值（N/mm2）Tab. 4 The allowable stress values (N/mm2)

屈曲强度评估中，屈曲安全因子λ应为板格临界屈曲应力与计算所得的实际压应力之比，其计算值如表 5 所示[9]。

表5 λ计算值Tab. 5 Calculated value of λ

3.2 屈服强度评估

利用有限元软件，对多功能船主吊机区域局部结构模型进行了上文所述16种工况的分析计算，各工况下结构应力详细结果如表6和表7所示。

各工况结果云图如图3～图8所示。

3.3 屈曲强度评估

多功能船主吊机区域局部结构主要构件的屈曲强度评估结果如表8所示。

表6 最大应力值 CCS-36（N/mm2）Tab. 6 Maximum stress value CCS-36 (N/mm2)

表7 最大应力值CCS-A（N/mm2）Tab. 7 Maximum stress value CCS-A (N/mm2)

图3 工况6—VON MISE力云图（CCS-36）Fig. 3 Von-mises stress plot for condition 6 (CCS-36)

图4 工况12—VON MISE力云图（CCS-A）Fig. 4 Von-mises stress plot for condition 12 (CCS-A)

图5 工况10—正应力云图（CCS-36）Fig. 5 Normal stress plot for condition 10 (CCS-36)

图6 工况12—正应力云图（CCS-A）Fig. 6 Normal stress plot for condition 12 (CCS-A)

图7 工况10—剪应力云图（CCS-36）Fig. 7 Shear stress plot for condition 10 (CCS-36)

图8 工况12—剪应力云图（CCS-A）Fig. 8 Shear stress plot for condition 12 (CCS-A)

3.4 计算结果分析及强度评估

通过计算，获得了多功能船主吊机区域局部结构的应力水平与应力分布。CCS-36级钢的最大VON MISE力出现在工况6，其值为240 MPa；最大正应力出现在工况10，其值为112 MPa；最大剪应力出现在工况10，其值为114 MPa。CCS-A级钢的最大VON MISE力出现在工况12，其值为102 MPa；最大正应力出现在工况12，其值为230 MPa；最大剪应力出现在工况12，其值为141 MPa。并通过校核，多功能船主吊机区域局部结构满足屈曲强度要求。

表8 板格屈曲校核结果Tab. 8 Results of buckling check

4 结 语

本课题采用局部结构三维有限元直接计算方法对多功能船主吊机区域局部结构进行了结构强度分析，按照中国船级社《船舶与海上设施起重设备规范》（2007）有关章节校核了该局部结构的强度，通过对计算结果的分析和比较，可以得出：多功能船主吊机区域局部结构满足规范的要求，从而满足作业工况的安全使用。由于分析的船型原因，在网格划分上存在有边长接近细化网格50 mm的单元存在，这些较小的网格在应力集中、肘板趾端等处的结构应力均为偏高值，但这些对实际是偏安全的。

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Finite element analysis of area under main crane of multi-purpose vessel

LI Qiang, LIU Shao-yuan, LIU Yang, ZHANG Zhao, MENG Jia-hui
(COTEC Offshore Engineering Services (Beijing), Beijing 100011, China)

Multi-purpose vessel is to meet the needs of the development of marine engineering, special engineering ships, to achieve a close combination of engineering economics and engineering practicality. Area under main crane is analyzed. It describes some useful techniques while building complex and irregular models, a area under main crane FE model is setup, a method of the area under main crane FE analysis is described, and it also discusses the force conversion while applying displacement and force to moles. The proposed method can be used for the design and strength analysis of the ship of area under main crane.

multi-purpose vessel；area under main crane；finite element；structural strength

U661.4

A

1672 – 7649(2017)10 – 0061 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.011

2016 – 11 – 02；

2016 – 12 – 05

国家科技重大专项资助项目(2011ZX 05027-005)

李强(1981 – )，男，工程师，主要从事船舶与海洋工程结构物强度分析方面的研究。