0 引　言

随着大型海上工程与海洋油气资源开采工作的需求变化，海洋平台正逐渐向大型化、模块化的趋势发展。大型起重船作为海洋工程项目的重要辅助船舶，在海工项目中发挥了重要作用，因此对大型起重船开展相关研究显得十分重要^[1−2]。随着海上工程作业的复杂化、重型化、深海化，对于起重船的起重能力需求日渐提高^{[3 − 4]}，起重船在作业过程中承受倾覆力矩和自身重力载荷的作用，并通过基座将载荷传递至支撑结构上，为了保证起重机正常安全作业，起重机支撑结构需要具有足够的强度和刚度来应对最不利的设计工况^[5−7]。本文以实际工程项目为依托，对一艘5000 t全回转变幅式起重船开展相关研究，该船主要用于海上风机单桩基础施工（包括导管架）、升压站安装以及大型海上结构物安装及其他海事工程作业，可无限航区调遣航行。

本船按中国船级社《钢质海船入级规范》^[8]相关要求进行结构设计计算，借助挪威船级社（DNV）开发的船舶海工领域专业软件SESAM/GENIE进行有限元建模计算分析。由于本船起重机特殊起重工况要求，在进行尾部起吊作业工况时为本船的极限作业工况，在该工况作业时需使用起重机背拉系固设备配合作业以确保安全。背拉系固设备为本船的特殊结构设备，在常规起重船目前暂无配置，针对该部分的结构设计和计算可供参考的案例文献甚少。本文以5000 t全回转起重船背拉基座为实例，依据起重机背拉设备优化前后的2种基座加强形式，对建模计算等进行详细阐述与分析，依据相关标准对主起重机背拉基座及船体构件进行强度校核，确保使用安全可靠。

1 船型参数及背拉系固结构简述

本文计算对象5000 t起重船为一艘具备自航功能的全回转起重船，航区为无限航区。船体结构包括主船体、首部生活楼、直升机平台、船尾部设置一台全回转变幅式起重机。本船按照CCS《钢质海船入级规范》相关要求进行设计，主船体设有三道贯通首尾的连续纵舱壁（包括中纵舱壁与两道边舱壁）和10道水密横舱壁，均为平面舱壁，满足规范要求。主船体在船中范围内设置双层底并尽量向首尾延伸，船中甲板区域为通畅作业甲板。主尺度参数如表1所示，总布置图及典型横向强框架图如图1和图2所示。

背拉系固设备是本船为起重机配备的特殊设备，其作用在于提升起重船尾吊的作业能力。该起重船最大起重量为5000 t × 45 m（尾吊系固状态），尾吊固定状态下起重量为5000 t × 40 m，全回转状态下起重量为3500 t × 45 m，背拉系固设备有效增加了起重船的尾吊工况作业范围及最大起重量。常规情况下起重机的尾吊（固定状态）最大起重量为5000 t × 40 m，在系固条件下本船的起重机尾吊工况吊距可增加 5 m，最大吊距可达45 m，在有效提升本船的尾吊最大起重能力同时也增强了该船的市场竞争力。

本船背拉系固设备基座位于船中0.4L区域范围内，左右两舷对称布置，如图3所示。常规起重船为了保证主甲板可以有效抵抗船体梁载荷的作用，船中主甲板0.4L区域范围内通常不做大开口处理。本船为了保证起重船尾吊作业工况的安全在船体主甲板中部设置有背拉设备，并且为保证船中甲板区域正常载货面积不被影响对于设置背拉系固耳板的结构位置作下沉式设计。由于背拉系固设备位于船中位置处于总纵弯矩作用下最为不利的位置，为了避免设备背拉基座及甲板开口区域出现结构型损伤，该区域合理的结构设计至关重要。

针对该开口角隅处的结构设计，根据CCS《钢质海船入级规范》的要求做抛物线形或椭圆形处理，且对该开口区域甲板板厚进行加厚处理，在开口两端沿纵向船长向船首与船尾延伸区域分别做2个强框长度的强结构延伸过渡。

2 有限元模型 2.1 模型范围及建立

模型范围如下：纵向由主船体FR88～FR174；横向范围为右舷舷侧至左舷舷侧；垂向范围由船底板至主甲板，如图4所示。模型坐标系：X方向为起重船的纵向，以船首方向为正方向；Y方向为起重船的横向，以左舷方向为正方向；Z方向为起重船的垂向，以基线向上为正方向。

有限元模型按板梁组合结构建立，其中舱壁板、甲板、主要桁材的腹板、目标区域主甲板纵骨腹板等用板单元模拟，其他区域纵骨、加强筋、强横梁面板结构均用带偏心的梁单元模拟。舱段区域单元网格大小约为$S \times S$($800\ {\text{mm}} \times {800}\ {\text{mm}}$)，目标区域单元网格的大小约$\displaystyle\frac{1}{4}S \times \displaystyle\frac{1}{4}S$($200\ {\text{mm}} \times 200\ {\text{mm}}$)，S为肋骨间距，有限元网格模型如图5所示，为保证计算结果的准确性模拟应尽量避免三角形单元。模型的构件尺寸为建造厚度，系固耳板结构的模拟仅作载荷加载使用，本文不涉及主甲板以上及背拉系固设备本身的强度校核，仅对主甲板及主甲板以下船体结构强度进行分析计算。

2.2 边界条件

模型边界条件的假定应以不影响模型中心所考察单元的计算结果为原则，约束方法见表2所示，有限元模型在端部两剖面的纵向构件应与位于中和轴处的独立点刚性关联，施加方式如图6所示。

3 模型载荷

有限元计算载荷包括舷外水压力、主起重机吊臂对于背拉基座系固耳板的拉力以及舱段两端的附加弯矩。

3.1 舷外水压力载荷

依据CCS（2022）《钢质海船入级规范》及2023修改通报中，对舷外水压力进行计算与施加，舷外水压力施加如图7所示。

3.2 系固耳板拉力

依据起重机背拉系固设备资料，系固耳板载荷值为1500 t，根据背拉系固设备作业特点，载荷作用点为系固耳板上中心高度处，载荷方向沿耳板拉索方向，载荷施加方式以点载荷的形式直接施加到系固耳板上，如图8所示。从安全角度出发，计算载荷取设备载荷的2倍实际加载为3000 t，即单个系固耳板受力为750 t。

3.3 端面修正弯矩载荷

在有限元模型两端独立节点处施加修正附加弯矩，使模型船中位置FR136附近处的垂向弯矩与中拱状态实际值接近。船中目标弯矩为M = 7.65 × 10⁹ N·m，经计算需施加修正弯矩值约为2.2 × 10⁹ N·m，如图9所示。

4 有限元计算结果及分析 4.1 计算工况

背拉设备为局部设备，根据该部分加强结构受力特点设置了2种计算工况如表3所示。

工况1：仅系固耳板拉力；

工况2：舷外水压载荷+系固耳板拉力+端面弯矩。

工况1仅考虑背拉设备载荷，工况2为一种极限工况。按《钢质海船入级规范》相关许用标准进行结构应力校核。

4.2 计算结果

按方案1设计进行有限元建模计算分析，模型板厚及局部延伸段细节如图10与图11所示。

利用SESAM/GENIE软件对有限元模型进行求解，得到各个结构应力值大小。分别列出主甲板、船中区域典型横向强框、中纵舱壁、基座加强结构的Mises应力值，计算结果如图12～图15所示。将计算值与《钢质海船入级规范》规定的许用应力值进行比较如表4与表5所示，以确保各结构件应力满足规范要求。

从表4、表5及图12～图15有限元计算结果分析可知，模型仅在系固设备基座其自身设备载荷（工况LC1）作用下舱段变形仅基座结构附近发生局部变形且变形值较小如图12所示，基座附近结构的整体应力值较小，最大值出现在设备下加强结构上如图14(d)所示仅为89 MPa远小于规范许用值。当考虑船体梁总纵弯矩载荷（工况LC2）作用时舱段整体变形呈中拱形式且变形值较大如图13所示，主甲板船中开口角隅附近处及设备基座下加强结构出现明显的应力集中情况，开口角隅处应力如图15(a)所示最大值约为413 MPa，设备基座下加强结构如图15(d)所示应力值约为354 MPa，都远超规范许用值。有限元计算结果表明船体梁载荷对甲板中部开口以及设备基座都带来了极大的不利影响，该部分结构在船体梁载荷作用下存在结构破坏的风险，需要给部分结构进行重新优化设计以满足规范设计要求保证船舶的使用安全。

5 背拉基座结构设计优化 5.1 背拉系固加强优化设计

由于本船背拉系固设备的特殊性，常规起重船并不配备该设备，可供参考的背拉系固局部结构设计案例甚少。该处的结构设计参考其他类似的存在甲板开口角隅的船舶进行，但由于船型及功能的差异并不能起到直接指导的作用。在方案1结构设计中开口角隅处设计板厚较主甲板其他区域进行了局部加厚且角隅处进行了圆弧光顺处理，但经过初步有限元强度计算分析，在船体梁载荷组合工况作用下该角隅处应力值较高出现应力集中情况，同时背拉设备基座下加强结构应力值也超出了相关规范的许用值。

甲板开口角隅处高应力值与甲板结构开口易出现应力集中的预期结果相符如图15(a)所示，系固设备加强结构端部处应力值大于规范值如图15(d)所示，分析其原因在于纵向过渡时由于背拉加强区域板厚较厚刚度大在向首尾两侧过渡时存在刚度突变的情况，因此在设计时应适当对该部分结构做延伸处理。根据初步的有限元强度计算结果，对方案1的结构设计方案作出修改。为了保证背拉开口角隅区域应力值符合规范值要求，对开口角隅形状、下加强结构形式及板厚作出相应修改。优化设计方案2中对角隅处的结构形状作出修改、延伸过渡段长度由原先的2个强框延伸至3个强框以此来减小加强结构的端部应力值，经过对优化后的方案2进行建模计算分析，验证优化后结构应力水平符合规范要求。

5.2 结构优化计算结果

对有限元模型按方案2修改，如图16～图17所示。利用SESAM/GENIE软件对优化结构模型进行求解，得到了各个结构构件应力值，计算工况参考中表3所示。列出主甲板、船中区域典型横向强框、中纵舱壁以及基座加强结构Mises应力值，计算结果如图18～图21所示，并与《钢质海船入级规范》中的许用值进行比较如表6和表7所示，以确保各构件应力满足规范要求。开口角隅处内圈网格细化为50 mm × 50 mm，提升该区域的许用值：

${\sigma _e} = 1.6 \times (220/K)。$

(1)

式中，K为材料系数，本船材料系数为0.72。

根据方案1有限元计算结果，综合分析区域应力超标的原因进而针对性改进基座加强设计方案。对于角隅区域椭圆弧进行补强并细化角隅周围处网格，设计方案1考虑甲板结构存在大开口，设计时开口区域附近板厚取值较大致其刚度偏大，向首尾端过渡时存在刚度突变的情况，要适当的考虑过渡结构做适当的延伸处理而不一味的增加板厚值来实现降低应力的目的。按优化后方案2进行有限元建模计算，模型板厚及局部延伸段细节如图16与图17所示。从表6、表7及图18～图21有限元计算结果分析，优化后考虑叠加船体梁总纵弯矩（工况LC2）作用下如图21(a)所示角隅处应力最大值由413 MPa下降至约294 MPa，基座下加强结构应力值如图21(d)所示由354 MPa下降至约264 MPa，方案1设计中出现应力超出许用值的2处区域经优化后均符合规范要求，优化后在仅设备局部载荷（工况LC1）作用下基座局部加强结构应力如图20(d)最大值约为74 MPa较方案1计算时的89 MPa也相应减小，上述有限元计算结果表明该优化设计方案2可以作为设置类似设备结构加强的设计参考。

6 结　语

由于本船背拉系固设备存在的特殊性，特选取其为本文研究对象。使用SESAM/GENIE软件对起重船的吊机背拉设备基座和船体结构进行了强度校核。将船体结构和基座加强结构整体建模，结合设备使用时的载荷情况，将载荷以点载荷或MPC多点约束的方法加载至整体模型上，真实模拟了设备基座与船体结构的受力情况。经过有限元计算分析，可得到以下结论：

1） 经优化后的船体构件均满足规范强度许用要求，说明本船背拉加强结构经优化后设计合理，对后续同类型船舶设置相同设备时在优化设计与强度评估上具备一定参考价值。

2） 仅局部设备载荷作用情况计算结果分析，其对于整体强度的影响较小，其应力水平远小于规范许用值。根据本文考虑船体梁载荷作用的计算结果，从安全角度出发，当设备处于船中0.4L区域范围内时应当考虑总纵弯矩对于设备基座结构的影响。

3） 对于计算结果进行分析时，计及船体梁载荷作用时，由于甲板开口造成了明显的应力集中，一般船舶无特殊需求应当谨慎在主甲板船中区域做大开口，若确为设计需要应当注意该部分结构设计的特殊性。

4） 起重能力作为起重船非常重要的设计指标之一，本起重船上设置有背拉系固设备的设计方案有效的提升了起重船的起重作业能力且结构设计符合规范要求，为后续有提升起重船起重作业能力的改造需求或新船设计提供了一种方案思路和应用参考。