甲板吊机立柱结构设计及强度校核
摘 要摘 要本文的研究课题是甲板吊机立柱结构的强度校核。此次强度校核可以给平台提供合理的立柱结构，这对于平台来说是至关重要，它关系着平台能否正常工作。很多吊机的立柱和基座是一个整体，因此，对吊机立柱的研究就是对吊机基座的研究。本文主要研究的是CMHI(JS)-151钻井式辅助船的甲板吊机立柱结构的设计和强度的校核。首先，CMHI(JS)-151钻井式辅助船根据要求，甲板上需要三台甲板吊机。根据钻井式辅助船的总体结构，结合吊机资料和操船手册给出一个初步的符合船东要求的设计方案。方案确立后，按照ABS规范，用FEMAP软件建立立柱的有限元模型，然后分析工况，确定载荷，进行强度校核分析。分析结果如果不满足船级社要求，则更换设计方案，直到有限元分析结果满足要求。最终确定方案。关键词：结构强度；吊机立柱；有限元分析 目 录
第一章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2国内外甲板吊机现状 4
1.3甲板吊机立柱结构设计和强度校核的意义 5
1.4 本文的主要内容 5
第二章 甲板吊机立柱结构设计 7
2.1船级社 7
2.2美国船级社规范 7
2.3甲板吊机的总体布局 8
2.3.1 主甲板甲板吊机 8
2.3.2 右舷甲板吊机 9
2.3.3 左舷甲板吊机 10
2.4 甲板吊机结构设计 10
2.4.1 主甲板甲板吊机立柱结构设计 10
2.4.2 右舷甲板吊机立柱结构设计 11
2.4.3 左舷甲板吊机立柱结构设计 12
2.5 注意事项 13
2.6 本章小结 13
第三章 甲板吊机立柱有限元分析 14
3.1有限元分析软件 14
3.2 有限元软件建模 14
3.3右舷甲板吊机立柱 26
3.3.1介绍 26
3.3.2设计规范 26
3.3.3模型描述 28
3.3.4边界条件 30
3.3.5设计载荷 31
3.3.6载荷工况定义 33
3.3.7结果和总结
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/> 3.1有限元分析软件 14
3.2 有限元软件建模 14
3.3右舷甲板吊机立柱 26
3.3.1介绍 26
3.3.2设计规范 26
3.3.3模型描述 28
3.3.4边界条件 30
3.3.5设计载荷 31
3.3.6载荷工况定义 33
3.3.7结果和总结 45
3.4 主甲板吊机、左舷甲板吊机立柱有限元分析 48
3.5 本章小结 48
结 语 49
致 谢 50
参考文献 51
第一章 绪论
1.1 概述
海洋资源一直是人类关注的焦点，而备受人们关注的油气资源，在海洋也是含量颇多。开发海洋油气已成为炙手可热的战略举措[1][2]。很多国家早就展开海洋资源的勘探和钻采，而我国虽然在陆地上的石油开采已经十分成熟，但是在海洋深处的开采才处于初步阶段。现如今，我国已经将海洋工程装备发展列为发展的新兴产业[3]。尽管如此，我国高精尖技术仍然落后，很多设备需要进口，整个平台的耗资大部分都花在了进口上。现如今，欧美国家在海工方面掌握着关键技术，由于国家利益等诸多方面的因素，欧美国家对这些关键技术进行垄断，使得我国无法获得关键技术，从而限制了我国海工业发展的速度。而对于造船能力而言，韩国、新加坡等国家本就是造船大国、强国，他们在造船上的造诣一直处于领先地位，在海工市场上占据较大的份额。而且，韩国和新加坡掌握着很多造船关键技术，他们也与时俱进，生产出许多先进的主流产品，能迎合市场需求。
尽管如此，我们也不必自暴自弃，我国在造船方面还是有很多优势的。首先，造船中心正由欧美向亚洲方向转移，这就给很多亚洲国家（包括我国）提供了很多学习发展的机会。只要能把握住这次难能可贵的机会，我们国家不仅能跟上那些发达国家的步伐，甚至能跻身海工强国的行列。然而我们之前也说过，由于欧美国家对高精尖技术的垄断和韩国新加坡等对造船技术的垄断，我国无法第一时间掌握最先进的专业技术，这使得我国可能要走许多弯路。但是不管怎样，我们必须得抓紧时间，在造船中心再次转移之前，我们一定要尽可能多的掌握更多的技术，赢取更多的海工市场的份额。我国能在海工市场上占据一定份额的主要原因之一就是我国劳动力成本低。然而我国经济正在不断发展，劳动力成本逐渐上升，这对我国在海工市场的地位是非常有影响的。因此，掌握高精尖海工技术，研发新型海工技术装备就成为了我国海工方向的发展主流。
海工产品不仅仅只是只海洋平台，还有很多辅助船也属于海工产品。目前，世界上应用最广泛，技术最全面的钻井平台就是自升式钻井平台、半潜式钻井平台和钻井船，英文名叫jack up drilling unit、 semisubmersible drilling unit 和 drill vessel。我国应用比较多的是自升式钻井平台，很多企业都能独立造出自升式钻井平台。主船体、桩腿和升降系统是自升式钻井平台的三大特征。它的工作原理是：在需要钻井的地方停下，然后将桩腿下放，并插进海床，等到桩腿就位后，就可以开始钻井了。当然，如果环境比较恶劣，风、浪、流比较大的时候，它可以通过升降系统将主船体向上移，使得主船体能够脱离水面，减小环境载荷的影响。自升式钻井平台是可以移动的，也就是说若果其他地方也需要钻井，我们可以通过升降系统将主船体下放至海面漂浮，然后将桩腿从海床上拔出来，离开海床一定位置后，就可以通过拖船将平台拖到新目的地。
然而自升式钻井平台也有缺点，它本身就是依靠桩腿支撑并且作业的，那么对桩腿的要求就非常高。普通海域深度比较浅，一般长度的桩腿，我们还是可以应付的。但是在深海，水深可能超过几千米，这么长的桩腿强度方面无法保证，而且建造起来比较困难，装运等方面也存在很多问题。因此，半潜式钻井平台应运而生。半潜式钻井平台需要用到锚泊定位系统，海域较深的时候还需要动力定位系统以及深海锚泊系统[4]。
针对每一种平台，我们还需配备有不同的驳船。驳船一般没有自航能力，这就需要一系列拖船来提供动力，这些都属于海工产品。然而驳船也有驳船的优点。驳船能够托运超大型结构物、海上平台和可以移动的海上建筑，还可以托运和安装沉箱，也可以装在集装箱[5]。
国内外海洋平台的建造模式正趋向于模块化、大型化方向发展。前段时间船势不景气，国内很多船企都转型向海工方向发展，这无疑推进了我国的海工方向的发展。然而很多船企并没有这方面的工作经验，再加上海上作业风险大，这就要求海洋平台的各种性能能得到良好的提升。而甲板吊机在海工方面上是不可或缺的设备，它能转移人员，装吊各种机器设备，可以有效加快平台上的工作效率。
甲板吊机是一种特殊吊机，是一种做循环、间歇运动的机械。一个工作循环包括：取物装置从取物地把物品提起，然后水平移动到指定地点降下物品，接着进行反向运动，使取物装置返回原位，以便进行下一次循环[6]。它不像陆地上的吊机，它是在海上环境上进行吊装作业的。甲板吊机的主要任务是运输货物、 提供海上补给、投放与回收水下作业设备等。甲板吊机具有很大的挑战性，比如它需要应付海上特殊的作业环境给甲板吊机的控制带来的影响。从一方面上来说，和陆地上各种没有驱动的吊车设备相似，甲板吊机需要控制负载运输过程中产生的摆动，保证其定位精度与运输效率；从另一方面来说，由于甲板吊机固定在船舶等移动平台上，平台本身的移动会对负载运动产生较强的影响[7][8]。而且在很多情况下，负载起
第一章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2国内外甲板吊机现状 4
1.3甲板吊机立柱结构设计和强度校核的意义 5
1.4 本文的主要内容 5
第二章 甲板吊机立柱结构设计 7
2.1船级社 7
2.2美国船级社规范 7
2.3甲板吊机的总体布局 8
2.3.1 主甲板甲板吊机 8
2.3.2 右舷甲板吊机 9
2.3.3 左舷甲板吊机 10
2.4 甲板吊机结构设计 10
2.4.1 主甲板甲板吊机立柱结构设计 10
2.4.2 右舷甲板吊机立柱结构设计 11
2.4.3 左舷甲板吊机立柱结构设计 12
2.5 注意事项 13
2.6 本章小结 13
第三章 甲板吊机立柱有限元分析 14
3.1有限元分析软件 14
3.2 有限元软件建模 14
3.3右舷甲板吊机立柱 26
3.3.1介绍 26
3.3.2设计规范 26
3.3.3模型描述 28
3.3.4边界条件 30
3.3.5设计载荷 31
3.3.6载荷工况定义 33
3.3.7结果和总结
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
/> 3.1有限元分析软件 14
3.2 有限元软件建模 14
3.3右舷甲板吊机立柱 26
3.3.1介绍 26
3.3.2设计规范 26
3.3.3模型描述 28
3.3.4边界条件 30
3.3.5设计载荷 31
3.3.6载荷工况定义 33
3.3.7结果和总结 45
3.4 主甲板吊机、左舷甲板吊机立柱有限元分析 48
3.5 本章小结 48
结 语 49
致 谢 50
参考文献 51
第一章 绪论
1.1 概述
海洋资源一直是人类关注的焦点，而备受人们关注的油气资源，在海洋也是含量颇多。开发海洋油气已成为炙手可热的战略举措[1][2]。很多国家早就展开海洋资源的勘探和钻采，而我国虽然在陆地上的石油开采已经十分成熟，但是在海洋深处的开采才处于初步阶段。现如今，我国已经将海洋工程装备发展列为发展的新兴产业[3]。尽管如此，我国高精尖技术仍然落后，很多设备需要进口，整个平台的耗资大部分都花在了进口上。现如今，欧美国家在海工方面掌握着关键技术，由于国家利益等诸多方面的因素，欧美国家对这些关键技术进行垄断，使得我国无法获得关键技术，从而限制了我国海工业发展的速度。而对于造船能力而言，韩国、新加坡等国家本就是造船大国、强国，他们在造船上的造诣一直处于领先地位，在海工市场上占据较大的份额。而且，韩国和新加坡掌握着很多造船关键技术，他们也与时俱进，生产出许多先进的主流产品，能迎合市场需求。
尽管如此，我们也不必自暴自弃，我国在造船方面还是有很多优势的。首先，造船中心正由欧美向亚洲方向转移，这就给很多亚洲国家（包括我国）提供了很多学习发展的机会。只要能把握住这次难能可贵的机会，我们国家不仅能跟上那些发达国家的步伐，甚至能跻身海工强国的行列。然而我们之前也说过，由于欧美国家对高精尖技术的垄断和韩国新加坡等对造船技术的垄断，我国无法第一时间掌握最先进的专业技术，这使得我国可能要走许多弯路。但是不管怎样，我们必须得抓紧时间，在造船中心再次转移之前，我们一定要尽可能多的掌握更多的技术，赢取更多的海工市场的份额。我国能在海工市场上占据一定份额的主要原因之一就是我国劳动力成本低。然而我国经济正在不断发展，劳动力成本逐渐上升，这对我国在海工市场的地位是非常有影响的。因此，掌握高精尖海工技术，研发新型海工技术装备就成为了我国海工方向的发展主流。
海工产品不仅仅只是只海洋平台，还有很多辅助船也属于海工产品。目前，世界上应用最广泛，技术最全面的钻井平台就是自升式钻井平台、半潜式钻井平台和钻井船，英文名叫jack up drilling unit、 semisubmersible drilling unit 和 drill vessel。我国应用比较多的是自升式钻井平台，很多企业都能独立造出自升式钻井平台。主船体、桩腿和升降系统是自升式钻井平台的三大特征。它的工作原理是：在需要钻井的地方停下，然后将桩腿下放，并插进海床，等到桩腿就位后，就可以开始钻井了。当然，如果环境比较恶劣，风、浪、流比较大的时候，它可以通过升降系统将主船体向上移，使得主船体能够脱离水面，减小环境载荷的影响。自升式钻井平台是可以移动的，也就是说若果其他地方也需要钻井，我们可以通过升降系统将主船体下放至海面漂浮，然后将桩腿从海床上拔出来，离开海床一定位置后，就可以通过拖船将平台拖到新目的地。
然而自升式钻井平台也有缺点，它本身就是依靠桩腿支撑并且作业的，那么对桩腿的要求就非常高。普通海域深度比较浅，一般长度的桩腿，我们还是可以应付的。但是在深海，水深可能超过几千米，这么长的桩腿强度方面无法保证，而且建造起来比较困难，装运等方面也存在很多问题。因此，半潜式钻井平台应运而生。半潜式钻井平台需要用到锚泊定位系统，海域较深的时候还需要动力定位系统以及深海锚泊系统[4]。
针对每一种平台，我们还需配备有不同的驳船。驳船一般没有自航能力，这就需要一系列拖船来提供动力，这些都属于海工产品。然而驳船也有驳船的优点。驳船能够托运超大型结构物、海上平台和可以移动的海上建筑，还可以托运和安装沉箱，也可以装在集装箱[5]。
国内外海洋平台的建造模式正趋向于模块化、大型化方向发展。前段时间船势不景气，国内很多船企都转型向海工方向发展，这无疑推进了我国的海工方向的发展。然而很多船企并没有这方面的工作经验，再加上海上作业风险大，这就要求海洋平台的各种性能能得到良好的提升。而甲板吊机在海工方面上是不可或缺的设备，它能转移人员，装吊各种机器设备，可以有效加快平台上的工作效率。
甲板吊机是一种特殊吊机，是一种做循环、间歇运动的机械。一个工作循环包括：取物装置从取物地把物品提起，然后水平移动到指定地点降下物品，接着进行反向运动，使取物装置返回原位，以便进行下一次循环[6]。它不像陆地上的吊机，它是在海上环境上进行吊装作业的。甲板吊机的主要任务是运输货物、 提供海上补给、投放与回收水下作业设备等。甲板吊机具有很大的挑战性，比如它需要应付海上特殊的作业环境给甲板吊机的控制带来的影响。从一方面上来说，和陆地上各种没有驱动的吊车设备相似，甲板吊机需要控制负载运输过程中产生的摆动，保证其定位精度与运输效率；从另一方面来说，由于甲板吊机固定在船舶等移动平台上，平台本身的移动会对负载运动产生较强的影响[7][8]。而且在很多情况下，负载起
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