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摘 要：在现有82000DWT散货船设计基础上，论证货舱区加装大型克令吊对船舶性能和结构的影响，通过稳性与结构校核，证明方案的可行性。
关键词：散货船；克令吊；稳性；局部有限元
中图分类号：U674.13 文献标识码：A
Evaluation of Adding Crane on 82000DWT Bulk Carrier
YI Rongrong，Meng Changsong
（Guangzhou Shipyard International Co.，Ltd，guangzhou 510382）
Abstract： Check the influence of design with adding crane in cargo area which based on the original design of 82000 ton bulk carrier. Via analyse stability and structure to prove design available.
Key words： Bulk carrier； Crane； Stability； Local FEM
1 前言
82000DWT散货船为我厂自行开发设计的船型，目前已交付多艘，货舱区分为七个大型货舱，甲板区域设计相对较为常规。在后续的接单中，船东提出希望在货舱区增加大型克令吊，以提高船的使用效率，且范围应能覆盖到各个货舱。根据船东要求，我们对该方案进行论证。
2 总体要求
2.1 布置
为满足使用要求，货舱区共增加四台吊机，所选用的吊机起重能力为30.5t，吊臂长度最大24m、最小4.5m，吊机自重约40t，吊机布置在第一二货舱、三四货舱、四五货舱及六七货舱之间， 如图1所示。
2.2 重量
货舱区加装吊机后，主要增加的重量有：吊机重量、吊机筒体重量、吊臂托架重量、结构加强重量、电缆重量。初步预估每个位置处吊机重量为40t、吊机筒体重量为14.7t、结构加强重量为40t，吊臂托架总重量为2t，增加电缆重量为5.5吨。
根据变化的重量计算，空船重心高度上移0.398 m，重心沿船艉方向移0.615 m。
3 稳性要求
由于增加的重量较为集中，使得局部舱壁处剪力增大，而且重心位置及重量分布改变，故有必要对稳性进行校核。经过计算，稳性满足要求，船体梁弯矩剪力不超过包络线允许范围。
本船的装载工况中，隔舱重货的装载对整个包络线的剪力部分影响很大，一般在设计中较容易出现极值，加吊机后对该工况应重点关注，基本上稳性没有问题，但是最大弯矩达到92.56 %、剪力达到94.34 %，较为紧张。
在进水工况中，以情况较为恶劣的第六舱进水为例进行计算，稳性衡准满足要求，剪力最大达到97.1%，但仍处于设计允许范围内。故破舱稳性也满足规范要求。
4 结构要求
稳性满足则可以不必调整包络线，舱段整体的结构强度也不用校核，只需对吊机附近的结构进行局部校核即可。对于此类大型吊机的结构加强，一般船级社要求采用局部有限元进行计算。
4.1 计算软件
计算分别采用当前广泛使用的有限元分析软件MSC.NASTRAN 和MSC.PATRAN作为有限元计算及前后处理的工具。
按照规范要求，起重柱应连续通过主甲板伸至船体内，且在终止处应设有较强的垂向支撑结构。起重柱与甲板相连处应设肘板、肋板、短桁等构件，将水平面内各个方向的载荷作用有效传递至支撑结构。设计时，应避免与基座和起重柱相连的甲板板承受过大的应力作用，必要时可在结点交汇处1m的局部范围内设置Z向钢。
本船的吊机筒体插入主甲板，截止在槽型舱壁上，垂向可以由槽壁支撑，筒内及槽壁相应区域均做局部加强，并将在受力范围的甲板普通骨材改为T型材。
4.2 有限元模型 （FEM）
（1）坐标系
所采用的坐标系统为右手笛卡尔坐标系，其中：X方向指向船首，Y方向指向左舷，Z方向自基线垂直向上。
（2）单元划分
所有的板材及桁材以壳单元模拟，基座下主要加强结构的腹板用壳单元模拟，面板用杆单元模拟，一般纵骨及加强筋用梁单元模拟。
由于结构相似，选取其中一台吊机进行计算，根据图纸搭建有限元模型，模型范围应尽量取大，以减少边界的影响，前后至舱口围板，左右至纵桁，向下延伸半个槽壁高度，局部有限元模型见图2。
图2 吊机模型
4.3 边界条件
模型采用对称的边界条件，即在横向舱壁及强框处约束纵向的位移和横向、垂向的转动；在纵桁处约束横向的位移和纵向、垂向的转动；在底部约束垂向位移和纵、横方向的转动。
4.4 载荷与工况
根据厂家提供的数据，克令吊在工作时，甲板及基座所承受的载荷主要包括以下几种：最大垂直力850kN，最大倾覆力矩9800kN.M，最大扭矩920 kN.M。
其中，倾覆力矩对计算结果的影响最大，占了总应力成分的90%以上。通过改变倾覆力矩的方向，而其他作用载荷的方向不变，可以得到不同的组合工况。由于结构对称，只做了吊臂旋转180°的五种工况：
Load Case1：吊臂沿x轴正方向；
Load Case2：吊臂沿x方向逆时针旋转45°；
Load Case3：吊臂沿x方向逆时针旋转90°；
Load Case4：吊臂沿x方向逆时针旋转135°；
Load Case5：吊臂沿x方向逆时针旋转180°；
4.5 计算结果
根据上述要求，计算结果如表1，其中情况最差的为工况3，其正应力及剪应力云图见图3及图4.
表1 有限元初步计算结果
4.6 强度校核
根据CSR 规范，支撑结构的作用应力应不大于0.67σyd，剪切应力应不大于0.39σyd。其中，σyd为最小材料屈服应力（N/mm2））。
本模型中采用的均为AH36高强钢，屈服应力为355N/mm2，那么结构允许的最大正应力为237.85 N/mm2，剪应力为138.45 N/mm2。
由以上计算结果可以看出，工况3下的最大正应力为299N/mm2 ，大于许用值，不符合要求，出现最大正应力的地方为中纵桁，该处剖面模数需要调整为：
将中纵桁面板改为T型对称形，受力集中的地方增加扶材，可以很好的改善中纵桁的受力情况。
修改后重新计算，结果见表2，可以看出结构修改后应力满足规范要求。
5 其他问题
由于吊机位置较高，可能影响其他设备的布置，局部舾装设备需要协调，如中部的系泊绞车、直升机悬停位置会存在一些影响，这些可在后续的详细设计中进行解决，不会对方案产生颠覆性影响。
6 结束语
针对船东提出的在原有设计基础上增加吊机的要求，对稳性和结构进行重点校核，可以在前期快速判断方案是否可行以及增加的成本，便于船厂接单和成本控制。
关键词：散货船；克令吊；稳性；局部有限元
中图分类号：U674.13 文献标识码：A
Evaluation of Adding Crane on 82000DWT Bulk Carrier
YI Rongrong，Meng Changsong
（Guangzhou Shipyard International Co.，Ltd，guangzhou 510382）
Abstract： Check the influence of design with adding crane in cargo area which based on the original design of 82000 ton bulk carrier. Via analyse stability and structure to prove design available.
Key words： Bulk carrier； Crane； Stability； Local FEM
1 前言
82000DWT散货船为我厂自行开发设计的船型，目前已交付多艘，货舱区分为七个大型货舱，甲板区域设计相对较为常规。在后续的接单中，船东提出希望在货舱区增加大型克令吊，以提高船的使用效率，且范围应能覆盖到各个货舱。根据船东要求，我们对该方案进行论证。
2 总体要求
2.1 布置
为满足使用要求，货舱区共增加四台吊机，所选用的吊机起重能力为30.5t，吊臂长度最大24m、最小4.5m，吊机自重约40t，吊机布置在第一二货舱、三四货舱、四五货舱及六七货舱之间， 如图1所示。
2.2 重量
货舱区加装吊机后，主要增加的重量有：吊机重量、吊机筒体重量、吊臂托架重量、结构加强重量、电缆重量。初步预估每个位置处吊机重量为40t、吊机筒体重量为14.7t、结构加强重量为40t，吊臂托架总重量为2t，增加电缆重量为5.5吨。
根据变化的重量计算，空船重心高度上移0.398 m，重心沿船艉方向移0.615 m。
3 稳性要求
由于增加的重量较为集中，使得局部舱壁处剪力增大，而且重心位置及重量分布改变，故有必要对稳性进行校核。经过计算，稳性满足要求，船体梁弯矩剪力不超过包络线允许范围。
本船的装载工况中，隔舱重货的装载对整个包络线的剪力部分影响很大，一般在设计中较容易出现极值，加吊机后对该工况应重点关注，基本上稳性没有问题，但是最大弯矩达到92.56 %、剪力达到94.34 %，较为紧张。
在进水工况中，以情况较为恶劣的第六舱进水为例进行计算，稳性衡准满足要求，剪力最大达到97.1%，但仍处于设计允许范围内。故破舱稳性也满足规范要求。
4 结构要求
稳性满足则可以不必调整包络线，舱段整体的结构强度也不用校核，只需对吊机附近的结构进行局部校核即可。对于此类大型吊机的结构加强，一般船级社要求采用局部有限元进行计算。
4.1 计算软件
计算分别采用当前广泛使用的有限元分析软件MSC.NASTRAN 和MSC.PATRAN作为有限元计算及前后处理的工具。
按照规范要求，起重柱应连续通过主甲板伸至船体内，且在终止处应设有较强的垂向支撑结构。起重柱与甲板相连处应设肘板、肋板、短桁等构件，将水平面内各个方向的载荷作用有效传递至支撑结构。设计时，应避免与基座和起重柱相连的甲板板承受过大的应力作用，必要时可在结点交汇处1m的局部范围内设置Z向钢。
本船的吊机筒体插入主甲板，截止在槽型舱壁上，垂向可以由槽壁支撑，筒内及槽壁相应区域均做局部加强，并将在受力范围的甲板普通骨材改为T型材。
4.2 有限元模型 （FEM）
（1）坐标系
所采用的坐标系统为右手笛卡尔坐标系，其中：X方向指向船首，Y方向指向左舷，Z方向自基线垂直向上。
（2）单元划分
所有的板材及桁材以壳单元模拟，基座下主要加强结构的腹板用壳单元模拟，面板用杆单元模拟，一般纵骨及加强筋用梁单元模拟。
由于结构相似，选取其中一台吊机进行计算，根据图纸搭建有限元模型，模型范围应尽量取大，以减少边界的影响，前后至舱口围板，左右至纵桁，向下延伸半个槽壁高度，局部有限元模型见图2。
图2 吊机模型
4.3 边界条件
模型采用对称的边界条件，即在横向舱壁及强框处约束纵向的位移和横向、垂向的转动；在纵桁处约束横向的位移和纵向、垂向的转动；在底部约束垂向位移和纵、横方向的转动。
4.4 载荷与工况
根据厂家提供的数据，克令吊在工作时，甲板及基座所承受的载荷主要包括以下几种：最大垂直力850kN，最大倾覆力矩9800kN.M，最大扭矩920 kN.M。
其中，倾覆力矩对计算结果的影响最大，占了总应力成分的90%以上。通过改变倾覆力矩的方向，而其他作用载荷的方向不变，可以得到不同的组合工况。由于结构对称，只做了吊臂旋转180°的五种工况：
Load Case1：吊臂沿x轴正方向；
Load Case2：吊臂沿x方向逆时针旋转45°；
Load Case3：吊臂沿x方向逆时针旋转90°；
Load Case4：吊臂沿x方向逆时针旋转135°；
Load Case5：吊臂沿x方向逆时针旋转180°；
4.5 计算结果
根据上述要求，计算结果如表1，其中情况最差的为工况3，其正应力及剪应力云图见图3及图4.
表1 有限元初步计算结果
4.6 强度校核
根据CSR 规范，支撑结构的作用应力应不大于0.67σyd，剪切应力应不大于0.39σyd。其中，σyd为最小材料屈服应力（N/mm2））。
本模型中采用的均为AH36高强钢，屈服应力为355N/mm2，那么结构允许的最大正应力为237.85 N/mm2，剪应力为138.45 N/mm2。
由以上计算结果可以看出，工况3下的最大正应力为299N/mm2 ，大于许用值，不符合要求，出现最大正应力的地方为中纵桁，该处剖面模数需要调整为：
将中纵桁面板改为T型对称形，受力集中的地方增加扶材，可以很好的改善中纵桁的受力情况。
修改后重新计算，结果见表2，可以看出结构修改后应力满足规范要求。
5 其他问题
由于吊机位置较高，可能影响其他设备的布置，局部舾装设备需要协调，如中部的系泊绞车、直升机悬停位置会存在一些影响，这些可在后续的详细设计中进行解决，不会对方案产生颠覆性影响。
6 结束语
针对船东提出的在原有设计基础上增加吊机的要求，对稳性和结构进行重点校核，可以在前期快速判断方案是否可行以及增加的成本，便于船厂接单和成本控制。