集裝箱船組合吊臂托架D形前桅結構設計

孔小兵,徐陽光,湯霄陽,劉鵬,陳英

(中國船舶及海洋工程設計研究院,上海 200011)

為了能夠在設施有限的港口進行集裝箱裝卸作業,部分集裝箱船會配備克令吊。布置在靠近船舶艏部的克令吊需設置吊臂托架,相對于單獨設置的吊臂托架,將吊臂托架與前桅組合、布置在前桅頂部,不僅可以有效減少吊臂托架對甲板空間的占用,還能將吊臂托架的高度縮短,實現結構輕量化設計。這類組合吊臂托架的前桅不僅需要考慮信號燈、號笛和雷達等通信設備的布置要求,還需要考慮船舶傾斜、船舶運動,以及風的影響下,克令吊對吊臂托架產生的各種載荷作用下的結構強度問題。有學者對1 700 TEU集裝箱船組合吊臂托架的桁架式前桅結構強度進行了計算分析和設計改進,取得了理想的結果[1],但關于組合吊臂托架的D形前桅結構強度方面的研究尚未見報道。在實船使用方面,某集裝箱船組合吊臂托架的前桅服役5年之后,在吊臂托架與前桅上平臺的連接焊縫處萌生了裂紋,這表明對于組合吊臂托架前桅的結構強度亟待深入探討。

為此以某集裝箱船組合吊臂托架的前桅為例,采用有限元直接計算方法對該前桅的結構強度進行分析和優化,探討托架形式和托架高度對于前桅結構強度的影響。

1 組合吊臂托架的D形前桅

1.1 D形前桅簡介

船舶上最接近船艏端的1根桅桿被稱為前桅。其主要作用是布置船艏的錨燈、前桅燈和操舵燈等信號燈,以及號笛、雷達等通信設備。

前桅設計的種類和樣式因不同的船型而異,在集裝箱船上應用較為廣泛的形式主要有桁架桅和D形桅。D形桅[2]是流線型桅體,一般由鋼板彎成流線形,水平截面類似于“D”,因此稱為D形桅,為安裝信號設備,通常桅體上會有多層平臺,典型的D形桅見圖1。

圖1 D形前桅

D形桅在外觀上與船體線型比較協調,在船舶設計中應用較為廣泛。以D形前桅為主要的討論對象。

1.2 組合吊臂托架的前桅布置

按照《國際海上避碰規則》的相關要求,前桅設計需滿足以下要求:前桅燈布置的水平位置需在離船艏不大于1/4船長處;艏錨燈和操舵燈的位置需要在駕駛室視線以內;前后桅燈之間的距離不小于船長的一半,但不必大于100 m。此外,為保證前桅結構強度,減少不必要的結構加強,一般將前桅布置在結構強度較好的擋浪墻處,滿足這些要求的集裝箱船的前桅高度一般能達到10 m以上。布置在艏部的克令吊基座高度一般在15 m左右,這就要求布置在前桅頂部的克令吊吊臂托架高度在4～5 m。某集裝箱船克令吊、吊臂托架和前桅的相對布置位置見圖2。

圖2 組合吊臂托架前桅布置

2 某集裝箱船組合吊臂托架的D形前桅有限元分析

2.1 D形前桅結構有限元模型

結構強度評估的主流方法是采用有限元數值模擬分析,船級社規范對于結構強度評估有較為完整的評估體系,在有限元模型范圍、網格大小、單元類型、評估衡準等方面均有較為明確的規定。此處主要參考中國船級社《鋼制海船入級規范》[3]中細網格計算的要求,采用軟件PATRAN/NASTRAN進行模型的前、后處理和計算。

前桅有限元模型包含筒體及其加強筋、平臺板、平臺肘板和吊臂托架等參與結構強度部分的構件,此外模型還需考慮船體結構對于前桅的支撐加強作用將部分船體結構包含在模型中,在船舶艏艉方向,包含自防撞艙壁向前3個肋位的甲板及加強結構;在船舶寬度方向,包含整個擋浪墻及加強結構;在船舶型深方向,包含主甲板到二甲板的艙壁及加強結構。前桅有限元模型主要采用4節點四邊形單元建模,單元網格采用50 mm×50 mm的細網格。坐標系:X軸沿船長方向,指向船艏為正;Y軸沿船寬方向,指向左舷為正;Z軸沿型深方向,指向上為正。組合吊臂托架的前桅結構有限元模型見圖3,船體結構的自由邊界采用剛性固定固定,即約束節點的平動和轉動自由度。

圖3 前桅結構有限元模型

2.2 克令吊及其外力載荷

克令吊安裝于船舶甲板上,要能夠有效安全地進行裝卸貨物的俯仰回轉式起重機,具有起升、變幅和回轉貨物的能力,典型的克令吊結構見圖4。

圖4 克令吊示意

對于集裝箱船上的克令吊,吊機的選型需要滿足集裝箱和大艙蓋的吊裝要求。該集裝箱船配備的克令吊性能參數見表1。

表1 克令吊性能參數

根據《船舶與海上設施起重設備規范》[4]的要求,克令吊對于吊臂托架的作用主要考慮的工況是吊機處于擱置狀態,應取以下各載荷的組合:船舶傾斜、船舶運動所產生的力和風的作用力,如有錨定、鎖緊和綁扎等情況時,亦應考慮在內。規范要求起重機處于放置狀態情況下,起重機的放置設備在設計中考慮承受的組合力包含:垂直于甲板的加速度±1.0g;前后方向(或者橫向)平行于甲板的加速度為±0.5g;靜橫傾角30°;風速為55 m/s,作用于前后方向(或者橫向)。對于集裝箱船上的吊臂托架主要考慮橫向作用力對托架的作用,計算得到作用于吊臂托架作用力主要為:①垂向力,大小為270 kN,包含吊臂自重和船舶運動產生的豎直向下的慣性力;②橫向力為218 kN,包含船舶傾斜狀態下吊臂自重沿橫向的作用力、船舶運動產生的水平方向的慣性力和沿橫向的風載荷作用力。吊臂托架受力見圖5?？紤]吊臂對托架的作用力為集中力,為此在吊臂托架頂部建立MPC,通過MPC將集中力傳遞到吊臂托架有限元模型頂部的節點上,最終傳遞到前桅結構上。

圖5 吊臂托架受力示意

2.3 應力特點分析

前桅結構應力水平的評估參考中國船級社《鋼制海船入級規范》的規定,采用細網格評估結構強度,網格大小滿足船級社的規范要求,結構強度應力集中節點的許用應力為

[σe]=1.6×Reh/K

(1)

式中:[σe]為許用應力,N/mm2;K為材料系數;Reh為前桅材料的屈服強度,N/mm2。

模型加載完成之后,對前桅有限元模型進行靜力計算,得到前桅的von Mises應力分布見圖6。

圖6 前桅von Mises應力云圖

由圖6可見,前桅的應力集中點共有兩處:節點一位于前桅頂部平臺與前桅筒體的連接肘板根部,應力峰值為386 MPa;節點二位于桅體與擋浪墻連接肘板自由邊上,應力峰值為401 MPa;兩處節點的應力水平均超過了材料的許用應力水平,不滿足規范要求。節點一中,前桅頂部平臺下的肘板是承受吊臂托架傳遞下來的載荷的主要構件,是前桅結構設計關注的重點;節點二中,應力集中點在擋浪墻與前桅連接的弧形肘板自由邊上,在擋浪墻設計時再考慮,此處不展開。

2.4 前桅結構設計優化

前桅節點一的von Mises應力見圖7。

圖7 前桅節點一的von Mises應力云圖

由圖7可見,應力峰值達到386 MPa,不滿足規范設計的要求。這主要是由于前桅承受船寬方向載荷,前桅應力峰值點位于沿船寬方向肘板的趾端。調整的方案是船長方向上肘板不變,將船寬方向的三角形肘板調整為帶軟趾的弧形肘板,同時考慮軟趾向下延伸避開交匯節點約300 mm。對調整之后的前桅結構進行靜力計算,得到設置軟趾之后前桅節點一von Mises應力,見圖8。

圖8 設置趾端之后前桅節點一的von Mises應力云圖

由圖8可見,設置帶軟趾的弧型肘板之后,節點一的應力峰值從386 MPa降低到304 MPa,且應力峰值點的位置從肘板趾端調整到軟趾弧形自由邊,此時能滿足規范要求。

上述分析前桅上平臺的下方肘板是對吊臂托架形成支撐作用的重要受力構件,尤其需要注意肘板趾端的應力水平,可以通過合理設置帶軟趾的弧形肘板降低該處應力集中水平而無需對前桅結構做重大調整。

3 吊臂托架對組合吊臂托架D形前桅結構強度的影響

3.1 吊臂托架型式的影響

克令吊的吊臂托架一般有兩種形式:①雙立柱支撐式,即吊臂托架設置2個立柱支撐布置在前桅筒體的左右兩側,見圖9;②單立柱支撐式,即支撐的邊界沿前桅筒體位置向上延伸,見圖10。

圖9 雙立柱支撐式吊臂托架

圖10 單立柱支撐式吊臂托架

為比較兩種形式的吊臂托架對前桅的影響,在相同前桅高度和托架高度情況下,布置兩種不同形式的吊臂托架。經過有限元數值計算,得到雙立柱支撐式前桅節點一的von Mises應力云圖(見圖11),應力峰值為304 MPa。

圖11 雙立柱支撐式前桅節點一的Von Mises應力云圖

由圖11可見,雙立柱支撐式吊臂托架對前桅的作用力主要由平臺下方的左右兩側的2塊支撐肘板承受,應力集中的高點在肘板與前桅筒體連接處;得到單立柱支撐式前桅節點一的von Mises應力分布云圖(見圖12),應力峰值為379 MPa。

圖12 單立柱支撐式的前桅節點一的Von Mises應力云圖

由圖12可見,單立柱支撐式吊臂托架對前桅筒體的作用力主要由布置平臺后部的2塊支撐肘板承受,應力集中的高點位于2塊大肘板與前桅筒體的連接節點處。上述計算分析表明,在前桅和托架高度相同的情況下,相對于單立柱支撐式吊臂托架,設置雙立柱支撐式吊臂托架前桅的節點一應力水平更小。

3.2 吊臂托架高度對前桅強度的影響

組合吊臂托架的D形前桅的高度依據克令吊的基座高度決定,主要由兩部分組合,①前桅的高度;②吊臂托架本身的高度。為了比較不同吊臂托架高度(不同的前桅高度)對前桅結構強度的影響,對比兩種不同吊臂托架高度情況下的前桅結構強度情況,兩個方案對比見表2。

表2 不同吊臂托架高度下前桅節點一應力比較

方案一中吊臂托架前桅節點一的von Mises應力峰值為304 MPa;方案二中吊臂托架前桅節點一的von Mises應力峰值為249 MPa,見圖13。

圖13 前桅節點一的von Mises應力云圖

分析可見,在克令吊基座高度一定的情況下,吊臂托架的高度對于節點一的應力水平有較大影響,相對較低的托架高度(相對較高的前桅高度)可有效降低前桅節點一的應力集中水平。

4 結論

1)克令吊對吊臂托架的作用主要考慮的工況是吊機處于擱置狀態,需要考慮船舶傾斜、船舶運動和風的作用。

2)組合吊臂托架的D形前桅有兩處應力集中區域,節點一位于前桅上平臺與前桅筒體的交接處,節點二位于前桅筒體與擋浪墻的交接處。對于節點一,前桅上平臺的下方肘板是對吊臂托架形成支撐作用的重要受力構件,尤其需要注意肘板趾端的應力水平,可以通過合理的設置帶軟趾的弧形肘板有效地降低該處應力集中水平而無需對前桅結構做重大調整。

3)吊臂托架對前桅強度有重要影響,在前桅和吊臂托架高度相同的情況下,相對于單立柱支撐式吊臂托架,布置雙立柱支撐式吊臂托架的前桅節點一處的應力水平更小;在其他條件相同的情況下,相對較低的吊臂托架高度(即相對較高的前桅高度)能有效降低前桅節點一處的應力集中水平。