引言海洋工程船的主要任務(wù)是服務(wù)于需要離岸進行操作作業(yè)的工程項目，且種類繁多，用于港口作業(yè)、海上施工、起重、打樁等各種海上工程。其中船用起重機是在海上環(huán)境中執(zhí)行運輸作業(yè)的一種特殊起重機，是工程船上重要的起重設(shè)備，主要用于船-岸和船-船間貨物的運輸轉(zhuǎn)移、海上補給、水下作業(yè)設(shè)備的投放與回收等重要任務(wù)，現(xiàn)在船用起重機在各類船舶上已得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于其在作業(yè)過程中承受傾覆力矩、自身重力載荷、貨物吊重等其他載荷的作用，并通過基座將載荷傳遞到支撐結(jié)構(gòu)上，同時還受船舶的橫傾、縱傾，海上風(fēng)力的影響，支撐結(jié)構(gòu)所受載荷具有瞬時載荷大和載荷交變頻繁的特點，因此為保證起重機正常安全作業(yè)，支撐結(jié)構(gòu)需要具有足夠的強度應(yīng)對最不利的設(shè)計載荷。起重機基座支撐結(jié)構(gòu)的強度直接關(guān)系到船舶進行起重作業(yè)時的可靠性和安全性。本文以某85m工程船尾部起重機為例，該起重機進行起重作業(yè)時受到垂直作用力、轉(zhuǎn)矩以及傾覆力矩，根據(jù)起重機基座的相關(guān)圖紙資料對基座的支撐結(jié)構(gòu)尺寸進行初步設(shè)計，再依據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2018[1]和《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》（2007）[2]中對起重機基座的相關(guān)要求來建立有限元模型，然后利用大型商用有限元分析軟件MSC.PATRAN/MSC.NASTRAN，對85m工程船的起重機基座模型進行計算。參照《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2018中第二篇第3章3.7.3對于起重設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)和基座許用應(yīng)力的要求，對計算結(jié)果進行校核，分析基座各結(jié)構(gòu)的強度。通過改變板材厚度和支撐構(gòu)件形成2組優(yōu)化方案，再次將優(yōu)化后的計算結(jié)果進行對比分析，得到最終起重機支撐結(jié)構(gòu)方案。1緒論1.1研究背景和意義隨著海上工程建設(shè)的發(fā)展和特種工程船舶的廣泛應(yīng)用，工程船發(fā)展呈現(xiàn)日趨大型化以及對船舶本身的技術(shù)性能要求高的趨勢。其中海上打撈、物資運輸、海洋工程施工等海上作業(yè)，往往都離不開起重設(shè)備，起重機成為工程船的特色之一，其重要性不言而喻。起重機基座是起重機中的主要承載部件且與船體結(jié)構(gòu)焊接連接，將起重機所承受的外加載荷和其自身重量傳遞到支撐結(jié)構(gòu)上，因此支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)能經(jīng)受最不利的設(shè)計載荷，具有足夠的強度以確保起重機的正常作業(yè)和設(shè)備安全。近年來，隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展，有限元軟件進入人們的視野，有限元分析方法逐漸成為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核的主要方法之一。區(qū)別于利用船舶建造規(guī)范等手冊的傳統(tǒng)設(shè)計法，有限元分析法通過將船體的局部結(jié)構(gòu)或整個船體劃分為有限單元來進行強度分析，至此船體結(jié)構(gòu)強度分析有了革命性的突破。利用有限元分析軟件，將全船結(jié)構(gòu)或局部結(jié)構(gòu)離散為有限個單元，根據(jù)實際情況賦予單元不同屬性并施加載荷，可以精確模擬其承載模式和變形情況。對于船體中的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，按其受力狀況分別以膜、桿、板、殼和梁等單元來表達。這樣可詳盡地表述船體結(jié)構(gòu)的微觀細節(jié)，真實地表達出各個構(gòu)件間的協(xié)調(diào)關(guān)系與變化。通過大規(guī)模有限元分析求解，可以求出各個關(guān)心構(gòu)件或區(qū)域的實際變形與應(yīng)力。這種方法是目前船體強度分析最準(zhǔn)確、最完善的方法，也是在“理性”結(jié)構(gòu)設(shè)計中，最能精確預(yù)報結(jié)構(gòu)對載荷響應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析方法[3]。綜上所述，目前船用起重機在工程船上大量使用，基座的支撐結(jié)構(gòu)合理才能保證起重機的正常作業(yè)，又因為有限元分析方法在結(jié)構(gòu)強度分析上廣泛應(yīng)用且可以準(zhǔn)確地表現(xiàn)船體各部位的應(yīng)力情況，所以采用有限元軟件對支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行強度校核來得到合理地支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，為其他類似情況提參考依據(jù)。1.2局部強度直接計算法概述在船體強度中，除了總縱強度外，船舶的局部構(gòu)件也會因局部荷重而發(fā)生變形或受到破壞，因此亦需研究這些局部構(gòu)件的強度問題。研究組成船體某些部分結(jié)構(gòu)、節(jié)點及其組成構(gòu)件的強度問題通常稱為“局部強度”問題。局部強度不足，不僅會導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)破壞，而且局部結(jié)構(gòu)的破壞還可能傳遞到其它結(jié)構(gòu)，甚至造成整個船體結(jié)構(gòu)的破壞。為了防止局部破壞則需要對局部強度進行校核，即對于已設(shè)計好的局部結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)尺寸已知的條件下，在給定的外載荷或工況下，算出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形，并與許用值比較從而判斷船體結(jié)構(gòu)強度是否足夠。對于一般民用船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計大都依照國家船舶檢驗局（或船級社）所頒布的“船舶建造規(guī)范”來進行校核，但對于工程船及其他特種船舶目前沒有明確的建造規(guī)范可以依據(jù)，常采用有限元軟件進行直接計算[4]。根據(jù)計算要求的不同，船體結(jié)構(gòu)的有限元分析一般包括三個不同層次：整船有限元分析、艙段有限元分析以及局部有限元分析[5]。船體局部結(jié)構(gòu)有限元分析可用來獲取主要構(gòu)件或關(guān)鍵部位的準(zhǔn)確應(yīng)力，也可用于分析集中載荷作用下的結(jié)構(gòu)強度，如錨、系泊系統(tǒng)、起重機基座等船體支撐結(jié)構(gòu)強度分析。各國船級社對船體結(jié)構(gòu)局部強度校核也制定了相關(guān)規(guī)定和指南，如ABS[6]、BV、DNV[7]等。在2007年，中國船級社制定了《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》（下文簡稱“起重設(shè)備規(guī)范”），對起重機基座及其支撐結(jié)構(gòu)強度的直接計算方法做了較為詳細的規(guī)定。2008年,任思楊[8]證明文中吊機的獨立有限元建模方法是可行的簡化了全船模型，也說明了確定最優(yōu)化的板厚是非常有利于整個設(shè)計方案的；2013年，陳麟,周曉明[9]按照德國船級社(GL)要求,采用有限元分析方法對19100DWT多用途船起重機基座進行模擬計算，得到結(jié)論在起重機與甲板接觸位置設(shè)置縱向斜板和三角形支撐板可使結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布合理也為其他新造船或改裝船提供參考；2014年，黃志遠[10]以大型抓斗式挖泥船起重機基座為例根據(jù)有限元軟件分析計算，得到基座通過設(shè)置縱橫桁材為支撐結(jié)構(gòu)可具有更好的結(jié)構(gòu)強度，開口引起的應(yīng)力集中可通過設(shè)計嵌補高強鋼來提高結(jié)構(gòu)強度，并說明需通過軟件分析得到最不利的方位角再按照規(guī)范進行相關(guān)試驗；同年，張超[11]等人以某一起重機基座為例，根據(jù)起重設(shè)備規(guī)范建立模型利用有限元軟件計算，最后從改變結(jié)構(gòu)形式和加強構(gòu)件尺寸兩方面著手給出了三種能夠有效增加起重機基座強度和剛度的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，并說明了起重機工況方位角選擇時因?qū)ΨQ性僅選取0°~180°的方位角是不合理不全面的；2015年，田鵬[12]等人將同一模型的有限元分析軟件與手工計算結(jié)果進行對比，兩者應(yīng)力值相差不大，剛度相差很小，但利用軟件分析可以通過云圖等方法更直觀準(zhǔn)確地得到結(jié)構(gòu)任意位置的應(yīng)力、應(yīng)變分布；2017年，張健[13]等人利用有限元軟件對起重機基座局部結(jié)構(gòu)計算分析，得到起重機基座與主甲板、中縱艙壁和基座圓筒支撐的交匯處局部集中載荷過大而產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)域；2020年，邵偉[14]等人將施加總縱彎矩和未總縱彎矩的應(yīng)力云圖進行分析比較得到總縱彎矩能夠影響到局部強度，但由于總縱彎矩在0.4L-0.65L船長范圍內(nèi)對強度影響最大，如果局部結(jié)構(gòu)處在此區(qū)域，就應(yīng)考慮總縱彎矩對局部強度的影響；若不在該范圍內(nèi)則可以不考慮?？梢?，結(jié)構(gòu)有限元分析方法在船舶結(jié)構(gòu)局部強度的計算及校核中得到了廣泛的應(yīng)用。[15]。在起重設(shè)備規(guī)范中對模型范圍、單元大小、邊界條件、設(shè)計載荷、評估標(biāo)準(zhǔn)等都有明確的說明，部分學(xué)者也對其可行性進行了驗證，并根據(jù)規(guī)范建模計算對起重機支撐結(jié)構(gòu)提出了一些可參考的結(jié)構(gòu)形式。2起重機基座的有限元模型2.1支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計該船艏樓甲板普通橫梁主要選用L75×50×6、強橫梁選用T250×9+100×10；普通肋骨主要選用L125×80×10，強肋骨選用T250×9+100×10；距中8600毫米的縱艙壁上的加強筋，普通肋位選用L125×80×10，強肋位選用T360×14+240×18；肘板選用250×250×7和200×200×10兩種規(guī)格，非基座附近的甲板厚度為12毫米。因為起重機基座中心位于FR8距船中8600毫米處，直徑840毫米，高度上貫穿艏樓甲板至主甲板，與艏樓甲板、主甲板和距船中8600縱艙壁焊接，所以對與起重機基座直接接觸的FR8以及臨近的FR7、FR9上的構(gòu)件進行加強設(shè)計，對FR4-200-FR16+200范圍內(nèi)的艏樓甲板板加厚至15毫米。T型材相較于L型鋼能使結(jié)構(gòu)具有良好的對稱性，且可以最合理地使用材料得到最高強度，因此選用T型材進行加強。同時未避免型材型號過多，其中FR8的肋骨選用T250×9+100×10、甲板橫梁選用T360×14+240×18，F(xiàn)R7、FR9甲板橫梁選用T250×9+100×10，肘板參考其他肋位未做加強。又因為起重機通常全回轉(zhuǎn)作業(yè)，為使各工況下載荷都能有效地傳遞到肋位上的支撐結(jié)構(gòu)，需在艏樓甲板上與基座交匯處增設(shè)兩個加強材，在起重機圓筒內(nèi)部增設(shè)四個長方形板材和兩個同心圓板材。其中，甲板上的加強材選用T250×9+100×10，分別與中縱方向夾角為45°和135°，起重機內(nèi)部的長方形板材型號為16×120×3350,分別與X軸夾角為0°、90°、180°、270°，兩個同心圓板材選用外徑840毫米、內(nèi)徑540毫米、厚度為16毫米空心圓板，分別位于距離主甲板高度為450毫米、3400毫米處。起重機基座結(jié)構(gòu)的主要組成部分如圖2-1、圖2-2、圖2-3所示：圖2-1艏樓甲板圖2-2距中8600縱艙壁圖2-3FR7、FR8、FR9橫框架2.2坐標(biāo)系定義采用直角坐標(biāo)系，以FR4處主甲板與距中8600毫米縱艙壁交匯點為原點，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軸垂直向上為正。2.3模型建立2.3.1模型范圍根據(jù)中國船級社起重設(shè)備規(guī)范第3章3.10.6的要求，在支撐結(jié)構(gòu)的強度校核中，為較好地描述區(qū)域中的結(jié)構(gòu)部件在各個方向上的受力分布情況，應(yīng)盡可能采用三維有限元模型進行分析。如用交叉梁系或板梁組合模型，則模型的簡化應(yīng)合理且趨于保守。分析應(yīng)基于線彈性理論。模型中的構(gòu)件尺度一般不考慮扣除腐蝕裕量。模型范圍應(yīng)包括：以基座有效作用平面矩形（a×b）形心為中心，向四周分別擴展至少一倍的該矩形相對應(yīng)的長、寬距離（3a×3b）。垂向從基座面擴展至甲板之下的第一個平臺甲板或至少D/4處（D為型深）。如按上述方法框取的模型邊界上未設(shè)置結(jié)構(gòu)的主要支撐結(jié)構(gòu)，則模型應(yīng)再延伸直至邊界落在結(jié)構(gòu)的主要支撐構(gòu)件上。對于船寬方向上占據(jù)較大比例的重型起重機基座，其支撐結(jié)構(gòu)的計算模型應(yīng)視基座范圍大小作適當(dāng)延擴，直至取包含船殼外板的一個完整的縱向立體分段。為計及起重柱和支撐結(jié)構(gòu)的相互作用影響，模型中應(yīng)考慮計入一段伸出甲板以上的起重柱。根據(jù)規(guī)范要求并結(jié)合考慮該起重機基座結(jié)構(gòu)特點，本文需計算的有限元模型范圍選取為：船長方向X：FR4強框架-FR16強框架；船寬方向Y：距中8600縱艙壁-左舷；型深方向Z：主甲板-艏樓甲板。2.3.2網(wǎng)格劃分與單元布置根據(jù)中國船級社起重設(shè)備規(guī)范第3章3.10.6的要求，為了較好地觀察高應(yīng)力部位的開孔影響，建議將開孔處邊緣局部區(qū)域的網(wǎng)格進行適當(dāng)細化。細化精度一般應(yīng)取原網(wǎng)格尺度的1/3至1/4。船體結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格沿船殼橫向按縱骨間距或類似的間距劃分，縱向按肋骨間距或類似的間距大小劃分，網(wǎng)格形狀盡量接近正方形。本文研究工程船肋骨間距為600mm，網(wǎng)格大小可設(shè)為150mm-200mm，本模型采用200mm。一般來講，船體的外板結(jié)構(gòu)，強框架、縱桁、平面艙壁的桁材、肋骨等的高腹板以及槽型艙壁和壁凳采用4節(jié)點板殼單元模擬；在高應(yīng)力區(qū)和高應(yīng)力變化區(qū)盡可能避免使用三角形單元，鄰近肘板或結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，盡量少用三角形單元；對于承受水壓力和貨物壓力的各類板上的扶強材用梁單元模擬，并考慮偏心的影響；縱桁、肋板上加強筋、肋骨和肘板等主要構(gòu)件的面板和加強筋可用桿單元模擬。具體有限元模型如圖2-4、圖2-5、圖2-6所示：圖2-4起重機基座有限元模型圖2-5起重機基座有限元模型（去除左舷側(cè)板）圖2-6起重機基座內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)2.3.3邊界條件根據(jù)CCS起重設(shè)備規(guī)范第3章的要求，邊界條件的假定應(yīng)以不影響模型中心所考察單元的計算結(jié)果為原則。一般可考慮設(shè)置自由支持或固支，或可采用表2-1的方法。本文邊界條件設(shè)置均為自由支持，如圖2-7所示。表2-1局部模型的邊界條件位置線位移角位移UxUyUzθxθyθz模型前后端面約束自由自由自由約束約束模型左/右端面約束約束約束自由自由自由模型下端面自由約束自由約束自由自由圖2-7起重機基座有限元模型邊界條件施加2.4材料參數(shù)本文模型結(jié)構(gòu)所用的材料均為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，Q235材料參數(shù)如表2-2所示。表2-2Q235材料參數(shù)彈性模量E/pa泊松比密度ρ/t?m-3屈服強度/MPa2.1×10110.37.852352.5本章小結(jié)按照本船的圖紙、確定各構(gòu)件設(shè)計尺寸、板厚、截面、開孔等，建立結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，模型中主要采用以下單元：殼單元：模擬甲板、舷側(cè)外板、縱艙壁、T型材腹板、起重機基座、起重機內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)、肘板等板殼結(jié)構(gòu)。殼單元主要采用四邊形矩形單元，網(wǎng)格大小以縱骨間距和肋距的1/3為基準(zhǔn)，邊長比不超過1∶3。梁單元：模擬各種梁結(jié)構(gòu)的縱骨、橫梁、普通肋骨等桿件結(jié)構(gòu)，以及縱桁、強框架等強構(gòu)件的面板等。梁單元在模型中依殼單元的邊界建立，同時按照設(shè)計圖紙考慮各個構(gòu)建的實際截面、方向和偏心。

3載荷及工況3.1設(shè)計載荷起重機基座支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計載荷包括垂直反作用力、轉(zhuǎn)矩和傾覆力矩，其中傾覆力矩具有方向性。載荷通過起重機基座傳遞到各支撐結(jié)構(gòu)上，設(shè)計載荷的數(shù)據(jù)參數(shù)通常由起重機的生產(chǎn)廠商提供。由起重機圖紙可得本文研究對象的設(shè)計載荷為：垂直反作用力95KN、轉(zhuǎn)矩60KN·M、傾覆力矩420KN·M。3.2載荷施加根據(jù)中國船級社起重設(shè)備規(guī)范第三章3.10.6.3的要求，加載時，一般應(yīng)將計算載荷加在起重柱（如有時）或基座構(gòu)件模型的最頂端，且合力的作用位置應(yīng)設(shè)在加載端面的幾何形心處。建議采用MPC（多點約束/主從節(jié)點）方式進行加載。以MPC（Multi－PointConstraints）的方式施加，即以起重機基座上端面的圓心為獨立點，圓筒端部節(jié)點為非獨立點與之耦合形成剛性區(qū)域，通過在上端面形成的剛性約束單元RBE2的獨立點上施加集中力的方式進行模擬，具體如圖3-1所示。圖3-1以MPC方式施加載荷3.3計算工況由于通常起重機正常工作時為360°全回轉(zhuǎn)作業(yè)，傾覆力矩的方向在水平面內(nèi)會發(fā)生變化，需通過設(shè)置不同工況得到對支撐結(jié)構(gòu)最不利的作用方位角，文中選取部分具有代表性的方位角作為計算工況，工況具體描述如下，詳見圖3-2：LC0：方位角為0°，起重機吊臂與X軸正方向夾角為0°，與中縱方向平行；LC1：方位角為30°，起重機吊臂與X軸正方向夾角為30°；LC2：方位角為60°，起重機吊臂與X軸正方向夾角為60°；LC3：方位角為90°，起重機吊臂與X軸正方向夾角為90°，指向左舷；LC4：方位角為120°，起重機吊臂與X軸正方向夾角為120°；LC5：方位角為150°，起重機吊臂與X軸正方向夾角為150°；LC6：方位角為180°，起重機吊臂與X軸正方向夾角為180°，與中縱方向平行；LC7：方位角為210°，起重機吊臂與X軸正方向夾角為210°；LC8：方位角為240°，起重機吊臂與X軸正方向夾角為240°；LC9：方位角為270°，起重機吊臂與X軸正方向夾角為270°，指向右舷；LC10：方位角為300°，起重機吊臂與X軸正方向夾角為300°；LC11：方位角為330°，起重機吊臂與X軸正方向夾角為330°。圖3-2起重機各工況4計算結(jié)果分析4.1評估衡準(zhǔn)根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第二篇3.7.3的要求，對于作用于支撐結(jié)構(gòu)的最大傾覆力矩超過100KN·M的起重機、吊桿和起重柱的支撐結(jié)構(gòu)。各種工況下，起重設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)和基座的計算應(yīng)力應(yīng)不大于表4-1中的許用值。本文起重機基座支撐結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力如表4-2所示。表4-1許用應(yīng)力單元類型許用應(yīng)力交叉梁系正應(yīng)力：[σ]=0.67ReH剪應(yīng)力：[τ]=0.39ReH板元相當(dāng)應(yīng)力：[σe]=0.80ReH注:ReH——材料屈服應(yīng)力/MPa。表4-2起重機基座支撐結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力應(yīng)力種類材料屈服強度/MPa許用應(yīng)力/MPa板單元的von-Mises相當(dāng)應(yīng)力235188梁單元的正應(yīng)力235157.45梁單元的剪應(yīng)力23591.654.2結(jié)果分析通過觀察12種工況下起重機基座有限元模型板單元的應(yīng)力云圖，可以發(fā)現(xiàn)每個工況中應(yīng)力集中部分都位于基座突出艏樓甲板的部分上，且位置隨傾覆力矩方向改變而發(fā)生變化，說明該結(jié)構(gòu)中傾覆力矩是引起局部應(yīng)力集中的主要原因，是主要的破壞載荷。由于篇幅限制僅附LC0、LC8，即12個工況中板單元最大應(yīng)力值最大和最小的情況，如圖4-1、圖4-2所示。圖4-1板單元的VonMises相當(dāng)應(yīng)力云圖（LC0）單位：MPa圖4-2板單元的VonMises相當(dāng)應(yīng)力云圖（LC8）單位：MPa結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值發(fā)生在LC0，起重機吊臂與X軸正方向夾角為0°與中縱方向平行時，相比90°工況（LC3）最大應(yīng)力值高12％，說明支撐結(jié)構(gòu)船長方向強度較船寬方向差，該起重機最不利的作用方位角為0°，即吊臂沿船長方向作業(yè)。結(jié)合起重機基座支撐結(jié)構(gòu)特點分析原因主要是由于船舶長寬方向構(gòu)件設(shè)置強弱不同所導(dǎo)致，船長方向基座只與距中8600的縱艙壁和內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)焊接，未設(shè)置其他加強構(gòu)件，船寬方向艏樓甲板在FR7、FR8、FR9肋位上均設(shè)置T型材，載荷通過基座傳遞到與中縱方向夾角為45°和135°兩個加強材再傳遞至FR7和FR9兩個強框架上。60°工況（LC2）、120°工況（LC4）、240°工況（LC8）、300°工況（LC10）應(yīng)力值相比LC0應(yīng)力值至少低14％，也是因為在艏樓甲板設(shè)置的兩個加強材，使載荷傳遞到FR7和FR9兩個強框架上，減輕了應(yīng)力集中的情況。除上述內(nèi)容外還可以發(fā)現(xiàn)除起重機基座外的板單元，最大應(yīng)力值始終位于艏樓甲板、距中8600縱艙壁和基座相交處，不隨傾覆力矩方向變化而變化，具體如圖4-3、4-4所示。LC6工況下的37.8MPa為最大應(yīng)力值，對比該工況下基座的最大應(yīng)力值低25.6MPa。說明甲板和縱艙壁由于有橫梁、肋骨等支撐強度要高于基座。又因基座突出艏樓甲板部分與艏樓甲板之間未設(shè)置加強結(jié)構(gòu)、基座與縱艙壁之間也未設(shè)置加強結(jié)構(gòu)僅由焊接連接，所以三者交匯處會出現(xiàn)應(yīng)力集中情況。各工況下板單元最大的VonMises相當(dāng)應(yīng)力見表4-3。圖4-3除起重機基座外單元的VonMises相當(dāng)應(yīng)力云圖（LC3）單位：MPa圖4-4除起重機基座外單元的VonMises相當(dāng)應(yīng)力云圖（LC6）單位：MPa表4-3各工況下板單元最大的VonMises相當(dāng)應(yīng)力工況板單元的VonMises相當(dāng)應(yīng)力/MPa許用應(yīng)力/MPa是否滿足規(guī)范要求LC063.9188是續(xù)表4-3LC161.5188是LC255188是LC356.6188是LC454.4188是LC558188是LC663.4188是LC762.6188是LC854.1188是LC956.5188是LC1054.9188是LC1161.7188是起重機基座支撐結(jié)構(gòu)和梁單元的應(yīng)力云圖結(jié)果顯示各工況下的應(yīng)力最大值均小于規(guī)范規(guī)定的許用應(yīng)力值。梁單元的應(yīng)力云圖由于篇幅限制僅附LC0具體如圖4-5、圖4-6所示。各工況下梁單元最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力見表4-4。圖4-5梁單元的正應(yīng)力云圖（LC0）單位：MPa圖4-6梁單元的剪應(yīng)力云圖（LC0）單位：MPa表4-4各工況下梁單元最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力工況梁單元的正應(yīng)力/MPa許用應(yīng)力/MPa是否滿足規(guī)范要求梁單元的剪應(yīng)力/MPa許用應(yīng)力/MPa是否滿足規(guī)范要求LC01.65157.45是2.5391.65是LC11.88157.45是5.8291.65是LC22.12157.45是8.1791.65是LC32.06157.45是8.5991.65是LC41.51157.45是6.9591.65是LC51.21157.45是4.6691.65是LC61.31157.45是3.1491.65是LC71.81157.45是4.0391.65是LC81.83157.45是7.0591.65是LC91.34157.45是8.0791.65是LC101.12157.45是8.2391.65是LC111.40157.45是5.7791.65是4.3本章小結(jié)在本章，對起重機基座有限元模型的應(yīng)力云圖進行分析，其中板單元的相當(dāng)應(yīng)力、梁單元的剪應(yīng)力和正應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，且遠小于許用值。說明局部支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計是合理可行的且有富余，需要進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

5結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案及對比通過第四章計算結(jié)果分析可知，起重機基座及支撐結(jié)構(gòu)的強度滿足規(guī)范要求且有較大富余，需對支撐結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。由于船舶結(jié)構(gòu)是板材和骨材組成的，本章從板和構(gòu)件兩個方面進行優(yōu)化，方案一對板厚進行優(yōu)化，方案二在前者的基礎(chǔ)上對構(gòu)件進行優(yōu)化。在滿足強度要求的前提下，通過減少鋼材使用，達到減輕局部重量、減少材料費用、提高經(jīng)濟效益的效果。5.1優(yōu)化方案5.1.1優(yōu)化板厚方案一：優(yōu)化板厚。對艏樓甲板和起重機基座內(nèi)部支撐構(gòu)件的板厚進行削弱，艏樓甲板板厚度由15mm減小至12mm，此時甲板厚度達到一致，圓筒形板厚度由14mm減小至12mm，刪除起重機內(nèi)部支撐構(gòu)件，即四個長方形板材和兩個同心圓板材。優(yōu)化前后板厚和應(yīng)力云圖如圖5-1、圖5-2、圖5-3、圖5-4、圖5-5所示，應(yīng)力云圖僅附出現(xiàn)最大應(yīng)力時的工況。圖5-1艏樓甲板、起重機基座板厚優(yōu)化前（14mm、15mm、16mm）圖5-2艏樓甲板、起重機基座板厚優(yōu)化后圖5-3板單元的VonMises相當(dāng)應(yīng)力云圖（LC6）單位：MPa圖5-4梁單元的正應(yīng)力云圖（LC2）單位：MPa圖5-5梁單元的剪應(yīng)力云圖（LC9）單位：MPa由表5-1可知，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范強度要求，且仍有一定富余，在此基礎(chǔ)進行第二次優(yōu)化。表5-1方案一的強度校核類型優(yōu)化前最大應(yīng)力值/MPa優(yōu)化后最大應(yīng)力值/MPa許用應(yīng)力值/MPa是否滿足規(guī)范要求板單元的相當(dāng)應(yīng)力63.982.5134是梁單元的正應(yīng)力2.122.83157.45是梁單元的剪切力8.599.9891.65是5.1.2優(yōu)化構(gòu)件方案二：在方案一的基礎(chǔ)上對構(gòu)件進行削弱。因為削弱板厚后，強度仍有較大富余，進一步對FR7、FR8、FR9肋位上的構(gòu)件進行削弱，將各肋位上的T型材削弱為L型鋼，L型鋼的型號參考其他普通肋位，其中FR7甲板橫梁由T250X9+100X10削弱為L75X50X6；FR8肋骨由T250X9+100X10削弱為L125X80X10，甲板橫梁由T360X14+240X18削弱為L75X50X6；FR9甲板橫梁由T250X9+100X10削弱為L75X50X6。此時，各普通肋位上的甲板橫梁、肋骨型號一致。同時刪除艏樓甲板上與中縱方向夾角為45°和135°的兩個加強材，。削弱具體前后變化見表5-2、表5-3，應(yīng)力云圖如圖5-6、圖5-7、圖5-8所示表5-2FR7、FR8、FR9肋位上的構(gòu)件優(yōu)化前位置左舷艏樓甲板距CL8600縱艙壁FR7L125X80X10T250X9+100X10L125X80X10FR8T250X9+100X10T360X14+240X18FR9L125X80X10T250X9+100X10L125X80X10表5-3FR7、FR8、FR9肋位上的構(gòu)件優(yōu)化后位置左舷艏樓甲板距CL8600縱艙壁FR7L125X80X10L75X50X6L125X80X10FR8L125X80X10L75X50X6FR9L125X80X10L75X50X6L125X80X10圖5-6板單元的VonMises相當(dāng)應(yīng)力云圖（LC6）單位：MPa圖5-7梁單元的正應(yīng)力云圖（LC3）單位：MPa圖5-8梁單元的剪應(yīng)力云圖（LC3）單位：MPa由表5-4可知，第二次優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)也均滿足規(guī)范強度要求，最大應(yīng)力值與第一次優(yōu)化相差不大。表5-4方案二的強度校核應(yīng)力類型優(yōu)化前最大應(yīng)力值/MPa優(yōu)化后最大應(yīng)力值/MPa許用應(yīng)力值/MPa是否滿足規(guī)范要求板單元的相當(dāng)應(yīng)力63.982.2134是梁單元的正應(yīng)力2.124.41157.45是梁單元的剪切力8.595.1391.65是5.2方案對比分析由表5-5可以發(fā)現(xiàn)在減小板厚、削弱支撐構(gòu)件后板單元的相當(dāng)應(yīng)力明顯變大，但仍在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，梁單元的正應(yīng)力與剪應(yīng)力一直保持在較低的數(shù)值。第一次與第二次優(yōu)化對比，第二次優(yōu)化板單元的相當(dāng)應(yīng)力最大值降低了0.3MPa，由上節(jié)的應(yīng)力云圖可知兩者的應(yīng)力最大值均在LC6工況下取得，即所受傾覆力矩方向、大小均一致，唯一變量為自重，說明第二次優(yōu)化因為自身重量減輕而使板的相當(dāng)應(yīng)力減小。兩個方案對比，方案二結(jié)構(gòu)重量較方案一降低，可使材料耗費減少，同時增加船舶載重量，減少運輸成本，應(yīng)力最大值也略小于方案一?？傊?，方案二更為經(jīng)濟且更為安全。表5-5三種方案下應(yīng)力最大值應(yīng)力類型原模型/MPa第一次優(yōu)化/MPa第二次優(yōu)化/M