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摘 要：起重船作为一种工程船舶，由于其起重作业要求，船体结构局部区域受力集中且分布不均匀，因此对船体结构强度的要求比较高。本文针对某58m沿海航区起重船，运用MSC.Patran/Nastran有限元计算软件，计算其起重作业工况下的局部结构强度，分析应力分布规律，对该类型船舶的结构设计具有参考意义。
关键词：局部强度;起重船;有限元分析
中图分类号：U674.35 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）09-0115-03
起重船作为一种常见的工程船舶，承载着吊装、打捞沉船、装卸货物等水上工程任务。起重船按照航行方式可以分为自航式与非自航式。非自航式起重船常以驳船的形式出现。按船体数可以分为单体与双体起重船两种。双体起重船是由两个单船体通过连接桥连接，相较单体船具有稳定性好、横摇周期短、操纵灵活、起重量大等优点。按照起重机的作业特点可以分为固定式、半回转式、全回转式。固定式起重船的起重臂不能水平旋转。全回转式起重船的起重臂能够通过起重机底座进行360°旋转，作业方式更加灵活。起重臂由钢结构组成，通常可在垂直方向进行起升、变幅。可见全回转式起重船在作业工况上会更加复杂。其总体受力大，局部区域受力集中，对船体结构、起重机回转底座的强度储备要求很高[1]。
近几十年来随着海洋工程技术的进步，起重船有了很大发展，首先起重船的用途逐渐向海洋工程服务发展。例如海底油气管道铺设、海上大型桥梁建设、海洋平台、海上风机的吊装、海难事故援救等都要依靠起重船。二是起重船的作业水域由内河转入近海。三是起重船逐渐趋于大型化。四是起重船的功能性多样化。准确的起重船船体结构强度计算方法为该类型船舶的结构设计提供理论数据支撑，为其结构的优化提供指导意义。
本文以某沿海航区58m全回转起重船为例，按照中国船级社《国内航行海船建造规范》《船舶及海上设施起重设备规范》的要求，使用MSC.Patran/ Nastran对起重船船体结构进行强度计算。
1船体结构有限元模型
1.1结构模型
1.1.1目标船主要参数
本文以某沿海航区58m全回转起重船为例，进行局部结构强度计算。该船总长58.00 m，垂线间长56.00 m，型宽20.80 m，型深4.08 m，设计吃水2.00 m。主钩起吊重量起吊高度：50m。全回转：200t。副钩起吊重量，起吊高度：60m。全回转：50t。航区：沿海。
1.1.2有限元结构模型
本文按照《國内航行海船建造规范》中相关规定，采用子结构建模技术对目标船进行建模。该船船体模型的结构为左右对称结构。模型横向范围选取到船体内舷侧，舱段模型的纵向范围从#63肋位到#102肋位。垂向范围为整个型深。船体钢材屈服强度σs=235MPa;材料的弹性模量E=2.06×105MPa;泊松比0.3;密度7.85t/m3。船体结构模型如图1～图3所示。
1.1.3坐标系
本模型坐标系为：坐标系统的原点取在#63肋位船体船舯甲板处。X轴指向船首为正;Y轴由原点指向左舷为正;Z轴垂直向上为正。
1.1.4边界条件
模型的两端（简称A端和B端）均需约束。
1.2工况及载荷
1.2.1计算工况
根据《船舶与海上设施起重设备规范》及完整稳性计算书考虑以下2种工况：
工况1：全部燃料备品30°的变幅（吊杆沿船长方向）。
工况2：全部燃料备品30°的变幅（吊杆沿船宽方向）。
1.2.2载荷计算
根据《船舶与海上设施起重设备规范》将计算载荷加在基座构建模型的最顶端，且合力的作用位置应设在加载断面的几何形心处，采用MPC（多点约束/主从节点）方式进行加载[2]。作业时当正横且变辐30度时产生最大倾侧力矩Mmax。载荷详见表1。加载模型见图4～图5。
2分析结果
起重船分段的强度有限元应力汇总见表2。结构强度分析结果如下：
（1）分段应力最大位置出现在工况2，即吊杆沿船宽方向起吊作业时，基座圆筒与船底板90号肋位附近相交位置。该工况下船体横向构件如横舱壁、肋骨等承受了较大应力，可见横向吊装时船体横向构件对载荷起到了很好的分担作用。
（2）工况1即纵向吊装作业时，船体的最大应力位置出现在中纵舱壁与96号肋位船底实肋板相交处。纵向吊装作业时，船体的纵向构件如纵舱壁在结构强度中起到了重要作用。
（3）分段模型应力较大位置均在起重机基座附近连接的船体结构上。得益于起重机基座下方的结构加强设计，如交叉穿过基座圆筒的横、纵舱壁，加厚的基座圆筒、横纵舱壁板，甲板、底板处的八爪支撑结构，都保证了船体关键部位的结构强度储备。但仍建议该区域甚至向外延伸区域甲板和底板也进行板厚加强。
3结论
本文以某58m沿海起重船为例，运用子建模技术，对船体分段进行建模计算，详细分析了起重作业工况中船体应力分布规律。起重机基座位置的船体结构是制约其大型化发展的主要难题，通过可靠的有限元计算，为起重船初步设计时结构优化提供数据支持，对该类型船舶的结构设计提供指导性建议。
参考文献：
[1]马亮，蒋晟梧，李明明.起重船旋转吊机的布置及支撑结构设计[J].广东造船，2021，40（02）：30-33.
[2]王佚，张少雄，张华.锚机支撑结构局部强度两种直接计算方法对比[J].船海工程，2015，44（06）：50-54+59.
[3]国内航行海船建造规范[S].
[4]船舶与海上设施起重设备规范[S].
关键词：局部强度;起重船;有限元分析
中图分类号：U674.35 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）09-0115-03
起重船作为一种常见的工程船舶，承载着吊装、打捞沉船、装卸货物等水上工程任务。起重船按照航行方式可以分为自航式与非自航式。非自航式起重船常以驳船的形式出现。按船体数可以分为单体与双体起重船两种。双体起重船是由两个单船体通过连接桥连接，相较单体船具有稳定性好、横摇周期短、操纵灵活、起重量大等优点。按照起重机的作业特点可以分为固定式、半回转式、全回转式。固定式起重船的起重臂不能水平旋转。全回转式起重船的起重臂能够通过起重机底座进行360°旋转，作业方式更加灵活。起重臂由钢结构组成，通常可在垂直方向进行起升、变幅。可见全回转式起重船在作业工况上会更加复杂。其总体受力大，局部区域受力集中，对船体结构、起重机回转底座的强度储备要求很高[1]。
近几十年来随着海洋工程技术的进步，起重船有了很大发展，首先起重船的用途逐渐向海洋工程服务发展。例如海底油气管道铺设、海上大型桥梁建设、海洋平台、海上风机的吊装、海难事故援救等都要依靠起重船。二是起重船的作业水域由内河转入近海。三是起重船逐渐趋于大型化。四是起重船的功能性多样化。准确的起重船船体结构强度计算方法为该类型船舶的结构设计提供理论数据支撑，为其结构的优化提供指导意义。
本文以某沿海航区58m全回转起重船为例，按照中国船级社《国内航行海船建造规范》《船舶及海上设施起重设备规范》的要求，使用MSC.Patran/ Nastran对起重船船体结构进行强度计算。
1船体结构有限元模型
1.1结构模型
1.1.1目标船主要参数
本文以某沿海航区58m全回转起重船为例，进行局部结构强度计算。该船总长58.00 m，垂线间长56.00 m，型宽20.80 m，型深4.08 m，设计吃水2.00 m。主钩起吊重量起吊高度：50m。全回转：200t。副钩起吊重量，起吊高度：60m。全回转：50t。航区：沿海。
1.1.2有限元结构模型
本文按照《國内航行海船建造规范》中相关规定，采用子结构建模技术对目标船进行建模。该船船体模型的结构为左右对称结构。模型横向范围选取到船体内舷侧，舱段模型的纵向范围从#63肋位到#102肋位。垂向范围为整个型深。船体钢材屈服强度σs=235MPa;材料的弹性模量E=2.06×105MPa;泊松比0.3;密度7.85t/m3。船体结构模型如图1～图3所示。
1.1.3坐标系
本模型坐标系为：坐标系统的原点取在#63肋位船体船舯甲板处。X轴指向船首为正;Y轴由原点指向左舷为正;Z轴垂直向上为正。
1.1.4边界条件
模型的两端（简称A端和B端）均需约束。
1.2工况及载荷
1.2.1计算工况
根据《船舶与海上设施起重设备规范》及完整稳性计算书考虑以下2种工况：
工况1：全部燃料备品30°的变幅（吊杆沿船长方向）。
工况2：全部燃料备品30°的变幅（吊杆沿船宽方向）。
1.2.2载荷计算
根据《船舶与海上设施起重设备规范》将计算载荷加在基座构建模型的最顶端，且合力的作用位置应设在加载断面的几何形心处，采用MPC（多点约束/主从节点）方式进行加载[2]。作业时当正横且变辐30度时产生最大倾侧力矩Mmax。载荷详见表1。加载模型见图4～图5。
2分析结果
起重船分段的强度有限元应力汇总见表2。结构强度分析结果如下：
（1）分段应力最大位置出现在工况2，即吊杆沿船宽方向起吊作业时，基座圆筒与船底板90号肋位附近相交位置。该工况下船体横向构件如横舱壁、肋骨等承受了较大应力，可见横向吊装时船体横向构件对载荷起到了很好的分担作用。
（2）工况1即纵向吊装作业时，船体的最大应力位置出现在中纵舱壁与96号肋位船底实肋板相交处。纵向吊装作业时，船体的纵向构件如纵舱壁在结构强度中起到了重要作用。
（3）分段模型应力较大位置均在起重机基座附近连接的船体结构上。得益于起重机基座下方的结构加强设计，如交叉穿过基座圆筒的横、纵舱壁，加厚的基座圆筒、横纵舱壁板，甲板、底板处的八爪支撑结构，都保证了船体关键部位的结构强度储备。但仍建议该区域甚至向外延伸区域甲板和底板也进行板厚加强。
3结论
本文以某58m沿海起重船为例，运用子建模技术，对船体分段进行建模计算，详细分析了起重作业工况中船体应力分布规律。起重机基座位置的船体结构是制约其大型化发展的主要难题，通过可靠的有限元计算，为起重船初步设计时结构优化提供数据支持，对该类型船舶的结构设计提供指导性建议。
参考文献：
[1]马亮，蒋晟梧，李明明.起重船旋转吊机的布置及支撑结构设计[J].广东造船，2021，40（02）：30-33.
[2]王佚，张少雄，张华.锚机支撑结构局部强度两种直接计算方法对比[J].船海工程，2015，44（06）：50-54+59.
[3]国内航行海船建造规范[S].
[4]船舶与海上设施起重设备规范[S].