摘 要：現(xiàn)在人們對(duì)于各種工業(yè)生產(chǎn)設(shè)施的要求都在逐漸的提高，浮式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)要求也隨之提高。本文采用有限元方法研究了起重機(jī)的基礎(chǔ)加固結(jié)構(gòu)，評(píng)估了起重機(jī)基礎(chǔ)在最大工況和非工作狀態(tài)下的加固結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。基于此，優(yōu)化了起重機(jī)基座的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的起重機(jī)有著顯著高于沒有優(yōu)化過起重機(jī)的底座強(qiáng)度。

　　關(guān)鍵詞：起重機(jī)底座;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　0 引言

　　在貨船運(yùn)行期間，通常增加起重機(jī)，導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)上的大的集中載荷。電梯將從基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移到附近的主船體結(jié)構(gòu)，使船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。通過簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，很難確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否符合標(biāo)準(zhǔn)。有限元分析軟件MSC用于檢查起重機(jī)的強(qiáng)度基礎(chǔ)和附近的船體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，MSC進(jìn)行了優(yōu)化，以增強(qiáng)船舶起重機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，以滿足規(guī)范的要求。

　　1 浮式起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度現(xiàn)狀

　　在許多散貨船碰撞事故中，直接原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。這反映了結(jié)構(gòu)可靠性在此類船舶安全評(píng)估中的重要性。研究表明，大多數(shù)研究都與完整，受損和沉沒狀態(tài)下散貨船的結(jié)構(gòu)可靠性和強(qiáng)度有關(guān)。近年來，研究證實(shí)船體梁斷裂問題與現(xiàn)有單殼散裝船體的可靠性有關(guān)。散貨船在世界航運(yùn)業(yè)中發(fā)揮著重要作用。散貨船在海上航行，并將各種貨物運(yùn)往世界各地。散貨船的規(guī)模從20000噸到便攜式，巴拿馬型，海岬型船甚至30萬噸超級(jí)散貨船。目前，大多數(shù)散貨船都是單殼結(jié)構(gòu)，根據(jù)多年來散貨船事故的統(tǒng)計(jì)，單殼散貨船的側(cè)殼在各種損壞中的事故率最高。如艙口蓋和甲板以及船舶的側(cè)外結(jié)構(gòu)。此外，由于取消了作為壓載艙的貨艙，一些港口解決了一些港口的貨物裝載問題，這可以通過僅在港口設(shè)計(jì)壓載艙來解決。MSC用于解決結(jié)構(gòu)模型。通過Nastran軟件，獲得了起重機(jī)加固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值和分布。在三種工況下繪制了起重機(jī)基礎(chǔ)加固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，總結(jié)了各構(gòu)件的最大應(yīng)力結(jié)果[1]。分析的主要原因：

　　(1)從船體結(jié)構(gòu)來看，散貨船的側(cè)面結(jié)構(gòu)比上下油箱的三角形框架結(jié)構(gòu)弱，特別是在滿載時(shí)，對(duì)于側(cè)面裝載機(jī)、貨艙，該結(jié)構(gòu)的有效性是貨物下沉的張力和外板的水壓的兩倍。(2)在裝載狀態(tài)下由側(cè)面和貨物之間的直接接觸引起的加速腐蝕。(3)裝卸貨物時(shí)發(fā)生機(jī)械損壞，清理邊緣剩余貨物。人們采取了多種多樣的方法來盡可能的提高散貨船的安全方面能力，尤其是一些舊散貨船已經(jīng)經(jīng)歷了長(zhǎng)久的海上航行，在實(shí)際運(yùn)行的過程中難免會(huì)遇到多方面的問題，這就會(huì)導(dǎo)致其安全性能大幅度的降低。散貨船在航行的過程中，其側(cè)面結(jié)構(gòu)是船體當(dāng)中強(qiáng)度最弱的部位，滿載的條件下最容易出現(xiàn)問題的就是船體的側(cè)面結(jié)構(gòu)。重型貨倉(cāng)的側(cè)面結(jié)構(gòu)受到貨物下沉力以及外部水壓的影響很大。文章將散貨船結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝，使用了雙殼結(jié)構(gòu)來有效的提高船體剪切強(qiáng)度，從案例當(dāng)中的具體分析可以看出愛雙殼結(jié)構(gòu)將橫向的剪切應(yīng)力進(jìn)行了減小，小到原始的單殼層輪船的一半應(yīng)力左右，與此同時(shí)隔室等的頂端邊緣部分也有著顯著的剪切應(yīng)力降低的效果。對(duì)這一過程進(jìn)行總結(jié)，散貨船結(jié)構(gòu)改造成雙殼結(jié)構(gòu)的話可以稍微的提高船體彎曲性能，但是這樣的過程并沒有十分明顯的使用效果。這是因?yàn)樵黾拥膬?nèi)殼位置恰好靠近中性軸，因此對(duì)總縱向彎矩的影響很小。

　　雙殼結(jié)構(gòu)極大地改善了船體側(cè)結(jié)構(gòu)的抗剪切性，但是雙殼結(jié)構(gòu)的引入增加了船體結(jié)構(gòu)的重量并減小了箱體的部分體積。因此，有必要優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)。在本文中，船體通過進(jìn)化算法進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的單殼結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化的雙殼結(jié)構(gòu)僅使重量增加了5%到7.5%。由于時(shí)間關(guān)系，本文僅計(jì)算船舶縱向構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過橫框架結(jié)構(gòu)和槽式艙壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以在一定程度上減輕結(jié)構(gòu)的重量，并可以適當(dāng)補(bǔ)償箱體容量的損失[2]。

　　2 有限元模型

　　浮式起重機(jī)可用于海岸和船舶，船舶之間的裝卸作業(yè)。它具有工作效率高，運(yùn)行穩(wěn)定，操作靈活的特點(diǎn)。它是船舶理想的裝卸設(shè)備。為了獲得海上多用途貨船(集裝箱/散貨船)的起重能力，需要浮式起重機(jī)。起重機(jī)基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性有很大影響，因此有必要對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。基于起重機(jī)布局，基本結(jié)構(gòu)圖和其他材料，通過MSC軟件建立起重機(jī)的有限元模型。該范圍內(nèi)的型號(hào)包括甲板，平臺(tái)和內(nèi)部起重機(jī)油缸，內(nèi)部和外部地板，5300個(gè)平臺(tái)，主甲板，縱向和橫向艙壁和肋。骨架結(jié)構(gòu)如船底和縱向鋼筋。其中，起重機(jī)滾筒，船底和肋底梁由板單元建模，縱梁橫梁由梁?jiǎn)卧！Ｔ谝呀⒌挠邢拊Ｐ椭校鴺?biāo)系X沿著船的長(zhǎng)度，Y沿著船的寬度，Z沿著船的深度。起重機(jī)基座的增強(qiáng)材料是船用低碳鋼，彈性模量限制在一定范圍內(nèi)。為了保證計(jì)算的順利進(jìn)行，起重機(jī)基礎(chǔ)加固結(jié)構(gòu)的有限元模型根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了約束。有限元模型主要受浮吊的重量和運(yùn)行過程中提升載荷的增加的影響。它通過多點(diǎn)耦合單元MPC(多點(diǎn)耦合)應(yīng)用于船體，即在氣缸和主甲板的交叉平面的中心處建立單獨(dú)的點(diǎn)。平面上的其他節(jié)點(diǎn)與獨(dú)立點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，并將集中力應(yīng)用于獨(dú)立點(diǎn)[3]。起重機(jī)很重，考慮兩種情況：首先，只考慮起重機(jī)本身的重量，將垂直集中力施加到獨(dú)立點(diǎn);其次，只考慮起重機(jī)本身的重量和最大起重量到獨(dú)立點(diǎn)。

　　3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　盡管雙殼散貨船的技術(shù)要求不斷得到改進(jìn)和澄清，但雙殼設(shè)計(jì)概念并未首次在船舶設(shè)計(jì)中提出。為了減少油輪碰撞或珊瑚礁造成的石油泄漏，20世紀(jì)90年代實(shí)施了油輪雙殼船，單殼船正在加速退出世界航運(yùn)市場(chǎng)。基于上述分析，雙殼體的起點(diǎn)是增強(qiáng)船體的側(cè)面結(jié)構(gòu)，以抵抗與貨物相關(guān)的腐蝕和機(jī)械損壞，同時(shí)防止貨艙在套管損壞后進(jìn)一步進(jìn)入水中。此外，雙體散貨船在節(jié)省卸貨時(shí)間，貨艙清潔時(shí)間和貨艙維護(hù)費(fèi)用方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。在設(shè)計(jì)雙殼散貨船或雙殼散貨船時(shí)，將面臨以下方面[4]。

　　當(dāng)選擇雙層結(jié)構(gòu)時(shí)，散裝載體有兩種主要類型的雙層結(jié)構(gòu)：垂直骨架類型和水平骨架類型。當(dāng)然，也存在混合骨架形式，其中前兩種不同的骨架形式分別應(yīng)用于內(nèi)套筒。無論結(jié)構(gòu)類型如何，水平梁和垂直肋條都是雙層結(jié)構(gòu)中必不可少的，以確保必要的強(qiáng)度和安全的通道布置。垂直骨架形式在雙殼油輪的設(shè)計(jì)中更為常見。在縱向骨架雙殼散貨船中，設(shè)計(jì)了縱向骨架的疲勞強(qiáng)度和縱向板對(duì)縱向肋產(chǎn)生的剪切力，以傳遞外板的壓力。橫向框架雙殼體的優(yōu)點(diǎn)在于，每個(gè)肋條可以均勻地傳遞外側(cè)和下側(cè)箱體上的壓力，從而避免過多的剪切構(gòu)件，并且缺點(diǎn)是該部分被分成過長(zhǎng)的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接焊縫。因此，具體結(jié)構(gòu)的實(shí)際設(shè)計(jì)，還要分析和比較各種形式，根據(jù)每個(gè)部件的重量和制造工藝等因素來全面確定。

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