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起重船是一種用于水上起重作業(yè)的工程船，又稱浮吊，被廣泛應(yīng)用于海上大件吊裝、海上救助打撈、橋梁工程建設(shè)和港口碼頭施工等多個(gè)領(lǐng)域。隨著海上工程作業(yè)任務(wù)的復(fù)雜化，浮吊設(shè)計(jì)技術(shù)逐漸向起重噸位重型化、作業(yè)領(lǐng)域深海化和吊裝過程高效率化方向發(fā)展，對起重船起重能力的需求日漸提高。
近年來，我國起重船設(shè)計(jì)技術(shù)得到了長足的發(fā)展。2008年振華重工成功建造的7500t全回轉(zhuǎn)起重船“藍(lán)鯨”號，改變了歐美國家在起重船領(lǐng)域的壟斷局面。本文所述全回轉(zhuǎn)起重船的成功研制更堅(jiān)固了我國在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，該船由大型油船改造而成，起重基座位于船首。起重作業(yè)時(shí)，船首起吊重物，船尾增加壓載水，船舶的質(zhì)量集中在舶舵兩端，靜水彎矩與剪力較大，主船體總縱強(qiáng)度的計(jì)算和評估顯得尤為重要。此外，起重基座需承擔(dān)起重機(jī)與貨物產(chǎn)生的巨大重力與彎矩，局部強(qiáng)度的預(yù)報(bào)是保證實(shí)船工作性能的關(guān)鍵。目前，相關(guān)學(xué)者主要應(yīng)用有限元理論與技術(shù)進(jìn)行起重船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。木文采用大型通用有限元分析軟件MSC.Nastran對12000t起重船設(shè)計(jì)中的以上兩個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行分析和研究。
該船為自航全回轉(zhuǎn)起重船，可航行于無限航區(qū)。船體包括主船體、舵部上層建筑和舶部起重機(jī)平臺三部分。主船體部分設(shè)置有2道舶舵貫穿的縱艙壁，另有兩道縱艙壁從FR62號肋位延伸到船首，雙層甲板，船底內(nèi)設(shè)置有內(nèi)底。主船體為縱骨架式，包括船底、內(nèi)底板、上甲板、下甲板、縱艙壁、舷側(cè)均有縱向骨材。縱向連續(xù)構(gòu)件盡可能自舷至艦連續(xù)設(shè)置，以保證縱向強(qiáng)度。每個(gè)肋位設(shè)置橫向強(qiáng)框架，包括甲板強(qiáng)橫梁、平臺強(qiáng)橫梁、縱艙壁垂直析、舷側(cè)強(qiáng)肋骨、底部肋板，每六個(gè)肋位設(shè)置一道水密橫艙壁，保證船體橫向強(qiáng)度。
木船圓筒式基座為圓筒與橫縱艙壁交叉式連接結(jié)構(gòu)，中心圓筒從上甲板延伸到下甲板。外圓筒為主要承力結(jié)構(gòu)，有內(nèi)外兩層筒壁，內(nèi)筒壁從上甲板延伸到下甲板，外筒壁從上甲板延伸到內(nèi)底。內(nèi)外筒壁間由支撐板相連，筒壁上骨材垂向分布，保證了其垂向強(qiáng)度。
取船中三個(gè)艙段建立有限元模型，中間艙室為校核艙，校核起重船的總縱強(qiáng)度。該有限元模型采用板殼元和梁單元組合模型。板材和析材腹板采用四節(jié)點(diǎn)及少量的三節(jié)點(diǎn)板殼元模擬，骨材及析材而板采用兩節(jié)點(diǎn)梁單元模擬。模型縱向范圍為船中三個(gè)艙段，橫向范圍為全部船寬，垂向范圍為船底到上甲板。邊界條件參考CCS的《散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析指南》。在模型兩端設(shè)立MPC選取中和軸處節(jié)點(diǎn)為獨(dú)立點(diǎn)，端而內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)與其六個(gè)自由度均相關(guān)，后端面處約束三個(gè)線位移自由度，前端面處放松沿船長方向線位移自由度，前后端而僅放松指向左舷方向轉(zhuǎn)角自由度，靜水彎矩和波浪彎矩施加在兩端的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)上。
在有限元模型兩端施加靜水彎矩與波浪彎矩，波浪彎矩按照《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》近似計(jì)算；每種工況下的壓載水、淡水等質(zhì)量通過建立壓力場函數(shù)施加在相應(yīng)艙室；重力通過對整體模型建立重力加速度施加；舷外靜水壓力通過建立場函數(shù)施加在船體外板上。
可以看出，木船應(yīng)力結(jié)果均小于許用應(yīng)力，滿足要求，能保證船舶的總縱強(qiáng)度。縱向連續(xù)構(gòu)件如甲板、船底、舷側(cè)、縱艙壁是主要的承力構(gòu)件，在設(shè)計(jì)時(shí)需要特別關(guān)注，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置，獲得合理的空船質(zhì)量。
專業(yè)從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)│有限元分析│強(qiáng)度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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