CN213974353U - 一种采用有限元计算的自卸船桅屋 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用有限元计算的自卸船桅屋，包括桅屋壳体以及设置在桅屋壳体壁上的防变形筋板，桅屋壳体的底部连接船舶上层甲板，桅屋壳体的后侧面下部连接船舶上层甲板与首楼甲板之间形成的台阶侧面，桅屋壳体的上半部设置有向着前侧方向水平悬伸的悬伸凸部，桅屋壳体的顶部靠前侧位置安装有一油缸座，桅屋壳体的顶部靠后侧位置设置有一连接于所述桅屋壳体的顶面与桅屋壳体的后侧面之间的第一倾斜面，第一倾斜面相对于所述船舶上层甲板之间的倾斜角为25～45°；自卸船桅屋通过有限元计算使得自卸船桅屋结构满足强度要求，并使得自卸船桅屋在使用时的变形量不超过规定的允许值。本实用新型提高了自卸船桅屋的强度和抗变形能力。

Description

一种采用有限元计算的自卸船桅屋

技术领域

本实用新型涉及船舶设计制造技术领域，具体涉及一种采用有限元计算的自卸船桅屋。

背景技术

自卸船是一种具有特殊货舱结构和卸货结构的干散货运输船舶，其在货舱的舱底与船底之间设置有卸货装置，能以连续输送方式卸货。自卸船能集中操纵卸货作业，实现高速自动卸货。

40000吨自卸船作为我司自主研发的船型，与其他自卸船有许多不同。该自卸船上设置有C-LOOP桅屋，该桅屋主要为C-LOOP提升皮带提供安装空间，同时为卸货臂旋转油缸提供支撑。

根据自卸臂工作原理，需保证C-LOOP桅屋顶部和甲板面两个回转中心的同轴度，要求桅屋在卸货臂工作过程中，最大变形不能超过40mm。40000吨自卸船的卸货臂长度是目前为止最长的卸货臂，达到90.5m，工作回转半径也最大，左右各100度，因此卸货臂在工作过程，作用在桅屋上的载荷更大，对桅屋变形控制要求更高。

针对40000吨自卸船的结构特点，有必要对自卸船的C-LOOP桅屋进行创新设计，以最大限度提高自卸船桅屋的强度和抗变形能力。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提出一种采用有限元计算的自卸船桅屋，旨在最大限度地提高自卸船桅屋的强度和抗变形能力。具体的技术方案如下：

一种采用有限元计算的自卸船桅屋，包括由钢板拼合并对接焊接所合围形成的桅屋壳体以及设置在所述桅屋壳体壁上的防变形筋板，所述桅屋壳体的底部连接船舶上层甲板，所述桅屋壳体的后侧面下部连接船舶上层甲板与首楼甲板之间形成的台阶侧面，所述桅屋壳体的上半部设置有向着前侧方向水平悬伸的悬伸凸部，所述悬伸凸部与所述船舶上层甲板之间形成自卸臂的端部安装空间，所述桅屋壳体的顶部靠前侧位置安装有一油缸座，所述桅屋壳体的顶部靠后侧位置设置有一连接于所述桅屋壳体的顶面与所述桅屋壳体的后侧面之间的第一倾斜面，所述第一倾斜面相对于所述船舶上层甲板之间的倾斜角为25～45°；所述自卸船桅屋通过有限元计算使得所述自卸船桅屋结构满足强度要求，并使得自卸船桅屋在使用时的变形量不超过规定的允许值。

优选的，所述桅屋壳体的顶部前侧设置有内置空间，所述油缸座转动设置在所述内置空间中，且所述油缸座的转动中心与船舶甲板上安装自卸臂的回转座中心同轴。

本实用新型中，所述油缸座上设置有连接自卸臂的拉伸油缸以实现对自卸臂的变幅控制。

优选的，所述桅屋壳体的顶部靠前侧位置设置有一连接于所述桅屋壳体的顶面与所述桅屋壳体的前侧面之间的第二倾斜面。

一种采用有限元计算的自卸船桅屋的防变形设计方法，包括如下步骤：

(1)自卸船桅屋初始设计：设计自卸船桅屋，形成自卸船桅屋的三维CAD模型图；

(2)第一次有限元计算：根据自卸船桅屋的三维CAD模型以及自卸船桅屋的载荷条件，采用有限元分析软件对自卸船桅屋进行强度计算和校核，判断自卸船桅屋在加载条件下强度和变形量是否符合要求；如出现强度不足或变形量超差的情况，则对自卸船桅屋的结构和尺寸进行修正，直至满足强度和变形量要求；

(3)自卸船桅屋制作及安装：自卸船桅屋按图制作后进行实船安装，与船体焊接到位；

(4)自卸船桅屋实船测量：采用三维激光扫描仪，对已经安装到船体上的自卸船桅屋进行扫描测量，得到自卸船桅屋关键点位的测量数据；

(5)自卸船桅屋三维CAD模型进行修正：将自卸船桅屋的测量数据，导入到三维CAD模型中进行比对，得到自卸船桅屋的形状及尺寸误差，并根据所述形状及尺寸误差对三维CAD模型进行修正；

(6)第二次有限元计算：对修正后的自卸船桅屋三维CAD模型，根据载荷条件，采用有限元分析软件重新进行强度计算和校核，判断自卸船桅屋在加载条件下强度和变形量是否符合要求；

(7)自卸船桅屋补强设计方案的制订：如步骤(6)中出现强度不足或变形量超差的情况，则通过在自卸船桅屋的桅屋壳体的适当位置增加设计设置若干数量的补强筋板，形成自卸船桅屋补强设计方案；所述自卸船桅屋补强设计方案必须经过限元分析软件的复核计算，以确保补强设计后的自卸船桅屋满足强度和变形量的控制要求；

(8)自卸船桅屋实船补强：根据自卸船桅屋补强设计方案进行自卸船桅屋实船补强作业。

作为本实用新型的进一步改进，所述自卸船桅屋在制作时采用若干数量的防变形支撑组件进行定位以减少焊接应力产生的变形；所述防变形支撑组件定位支撑于所述桅屋壳体内腔壁的预定关键位置；所述预定关键位置是指对于自卸船桅屋的强度和变形量有重要影响的位置。

优选的，所述防变形支撑组件为监控报警式防变形支撑组件以实现焊接过程中焊接变形超差时的监测和报警。

优选的，所述监控报警式防变形支撑组件包括支撑杆、设置在所述支撑杆一端的固定支撑头和设置在所述支撑杆另一端的可调支撑头，所述固定支撑头包括依次连接的圆柱金属支撑体、橡胶板和弧形顶头，所述橡胶板上朝向所述圆柱金属支撑体的一面设置有沉槽，所述沉槽内设置有导电片，所述导电片与所述圆柱金属支撑体的端面之间设置有间隙，所述圆柱金属支撑体上开设有第一安装孔，所述第一安装孔内安装有第一电池盒和第一报警器，所述导电片、第一电池盒、第一报警器和圆柱金属支撑体依次通过导线串联连接。

其中，所述第一电池盒内设置有第一电池和第一控制线路板，所述导电片、第一电池盒、第一报警器和圆柱金属支撑体依次通过导线串联连接在所述第一控制线路板上，当所述导电片与所述圆柱金属支撑体电性接触时，所述第一报警器发出报警。

优选的，所述圆柱金属支撑体上开设有第二安装孔，所述第二安装孔内安装有第二电池盒和第二报警器，所述弧形顶头、第二电池盒、第二报警器和桅屋壳体之间依次通过导线串联连接。

其中，所述第二电池盒内设置有第二电池和第二控制线路板，所述弧形顶头、第二电池盒、第二报警器和桅屋壳体之间依次通过导线串联连接在所述第二控制线路板上，当所述弧形顶头与所述桅屋壳体的内壁脱开时，所述第二报警器发出报警。

优选的，所述第一报警器、第二报警器为蜂鸣器或LED指示灯。

优选的，所述支撑杆为空心管，所述空心管分别与所述固定支撑头、可调支撑头螺纹配合连接。

本实用新型中，还设置有方便所述监控报警式防变形支撑组件安装定位的磁吸式挂钩组件，所述磁吸式挂钩组件包括分别外套在所述支撑杆两端并通过螺钉进行固定的滑套、连接在所述滑套上的第一支座、通过铰轴转动设置在所述第一支座上的连杆，所述连杆的另一端通过铰轴转动设置有第二支座，所述第二支座上设置有用于连接所述桅屋壳体内壁的磁性吸盘。

所述监控报警式防变形支撑组件安装后，在桅屋壳体内壁固定一百分表，并将所述百分表的检测头接触所述支撑杆的端面，利用橡胶板的弹性变形，通过调整可调支撑头使得所述橡胶板产生一定的预压缩变形，并使得所述导电片与所述圆柱金属支撑体之间形成预定的间隙。

优选的，所述预压缩变形的大小与所述预定的间隙的大小设置为相同，且所述预压缩变形的大小或所述预定的间隙的大小作为所述桅屋壳体的最大许用变形量。

上述监控报警式防变形支撑组件使用时，先用磁吸式挂钩组件将监控报警式防变形支撑组件吊挂在桅屋壳体内部，调整防变形支撑组件中的可调支撑头，形成所述监控报警式防变形支撑组件的预压缩变形，并使得所述预压缩变形的大小与所述预定的间隙的大小设置为相同。如焊接过程中发生桅屋壳体的应力变形超过允许值时，则会导致防变形支撑组件中的导电片与圆柱金属支撑体电性接触，或者导致导致桅屋壳体内壁脱开弧形顶头，由此引起第一报警器或第二报警器发出报警，提醒焊接作业人员及时采取纠正措施。

本实用新型的有益效果是：

第一，本实用新型的一种采用有限元计算的自卸船桅屋，桅屋壳体上部后侧采用带有第一倾斜面的大倾斜面设计，这种第一倾斜面的大倾斜面设计结构相比传统的桅屋壳体结构来说，经有限元计算证明对桅屋壳体的强度基本保持不变，且较大幅度地减少了桅屋壳体的重量，由此还提高了自卸船桅屋的抗变形能力。

第二，本实用新型的一种采用有限元计算的自卸船桅屋，桅屋壳体上设置有专门用于安装油缸座的内置空间，相比传统结构的油缸座顶部向上悬臂竖立安装的方式，其油缸座在桅屋壳体的内置空间可同时实现油缸座上下两端的转轴连接，因此油缸座的受力情况更好、使用更稳定、可靠性更好。

第三，本实用新型的一种采用有限元计算的自卸船桅屋，采用分阶段的两次有限元计算，消除了自卸船桅屋因制作变形导致受力状态发生变化进而导致有限元计算与实际情况出现偏差的弊端，并在自卸船桅屋的强度和变形量超差情况下实施以有限元计算为基础的补强方案，由此确保了自卸船桅屋的最终强度和良好的抗变形能力。

第四，本实用新型的一种采用有限元计算的自卸船桅屋，自卸船桅屋在焊接过程中采用了监控报警式防变形支撑组件，既有利于自卸船桅屋的防变形，有能在焊接出现较大应力变形时发出报警，从而指导焊接人员及时采取纠正措施，由此使得自卸船桅屋的焊接应力变形减少到最小程度。

附图说明

图1是本实用新型的一种采用有限元计算的自卸船桅屋的结构示意图；

图2是本实用新型的一种采用有限元计算的自卸船桅屋的防变形设计方法中所使用的防变形支撑组件的结构示意图；

图3是图2的局部放大视图。

图中：1、桅屋壳体，2、船舶上层甲板，3、首楼甲板，4、台阶侧面，5、悬伸凸部，6、自卸臂的端部安装空间，7、油缸座，8、桅屋壳体的后侧面，9、第一倾斜面，10、内置空间，11、船舶甲板上安装自卸臂的回转座中心，12、第二倾斜面。

图中：13、防变形支撑组件，14、支撑杆，15、固定支撑头，16、可调支撑头，17、圆柱金属支撑体，18、橡胶板，19、弧形顶头，20、导电片，21、间隙，22、第一电池盒，23、第一报警器，24、导线，25、磁吸式挂钩组件，26、螺钉，27、滑套，28、第一支座，29、铰轴，30、连杆，31、第二支座，32、磁性吸盘。33、第二电池盒，34、第二报警器，35、百分表。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

实施例1：

如图1至3所示为本实用新型的一种采用有限元计算的自卸船桅屋及防变形设计方法的实施例，包括由钢板拼合并对接焊接所合围形成的桅屋壳体1以及设置在所述桅屋壳体1壁上的防变形筋板，所述桅屋壳体1的底部连接船舶上层甲板2，所述桅屋壳体1的后侧面8下部连接船舶上层甲板2与首楼甲板3之间形成的台阶侧面4，所述桅屋壳体1的上半部设置有向着前侧方向水平悬伸的悬伸凸部5，所述悬伸凸部5与所述船舶上层甲板2之间形成自卸臂的端部安装空间6，所述桅屋壳体1的顶部靠前侧位置安装有一油缸座7，所述桅屋壳体1的顶部靠后侧位置设置有一连接于所述桅屋壳体1的顶面与所述桅屋壳体1的后侧面8之间的第一倾斜面9，所述第一倾斜面9相对于所述船舶上层甲板2之间的倾斜角为25～45°；所述自卸船桅屋1通过有限元计算使得所述自卸船桅屋结构满足强度要求，并使得自卸船桅屋在使用时的变形量不超过规定的允许值。

优选的，所述桅屋壳体1的顶部前侧设置有内置空间10，所述油缸座7转动设置在所述内置空间10中，且所述油缸座7的转动中心与船舶甲板上安装自卸臂的回转座中心11同轴。

本实施例中，所述油缸座7上设置有连接自卸臂的拉伸油缸以实现对自卸臂的变幅控制。

优选的，所述桅屋壳体1的顶部靠前侧位置设置有一连接于所述桅屋壳体1的顶面与所述桅屋壳体1的前侧面之间的第二倾斜面12。

实施例2：

采用实施例1的一种有限元计算的自卸船桅屋的防变形设计方法，包括如下步骤：

(1)自卸船桅屋初始设计：设计自卸船桅屋，形成自卸船桅屋的三维CAD模型图；

(2)第一次有限元计算：根据自卸船桅屋的三维CAD模型以及自卸船桅屋的载荷条件，采用有限元分析软件对自卸船桅屋进行强度计算和校核，判断自卸船桅屋在加载条件下强度和变形量是否符合要求；如出现强度不足或变形量超差的情况，则对自卸船桅屋的结构和尺寸进行修正，直至满足强度和变形量要求；

(3)自卸船桅屋制作及安装：自卸船桅屋按图制作后进行实船安装，与船体焊接到位；

(4)自卸船桅屋实船测量：采用三维激光扫描仪，对已经安装到船体上的自卸船桅屋进行扫描测量，得到自卸船桅屋关键点位的测量数据；

(5)自卸船桅屋三维CAD模型进行修正：将自卸船桅屋的测量数据，导入到三维CAD模型中进行比对，得到自卸船桅屋的形状及尺寸误差，并根据所述形状及尺寸误差对三维CAD模型进行修正；

(6)第二次有限元计算：对修正后的自卸船桅屋三维CAD模型，根据载荷条件，采用有限元分析软件重新进行强度计算和校核，判断自卸船桅屋在加载条件下强度和变形量是否符合要求；

(7)自卸船桅屋补强设计方案的制订：如步骤(6)中出现强度不足或变形量超差的情况，则通过在自卸船桅屋的桅屋壳体的适当位置增加设计设置若干数量的补强筋板，形成自卸船桅屋补强设计方案；所述自卸船桅屋补强设计方案必须经过限元分析软件的复核计算，以确保补强设计后的自卸船桅屋满足强度和变形量的控制要求；

(8)自卸船桅屋实船补强：根据自卸船桅屋补强设计方案进行自卸船桅屋实船补强作业。

作为本实施例的进一步改进，所述自卸船桅屋在制作时采用若干数量的防变形支撑组件13进行定位以减少焊接应力产生的变形；所述防变形支撑组件13定位支撑于所述桅屋壳体1内腔壁的预定关键位置；所述预定关键位置是指对于自卸船桅屋的强度和变形量有重要影响的位置。

优选的，所述防变形支撑组件13为监控报警式防变形支撑组件以实现焊接过程中焊接变形超差时的监测和报警。

优选的，所述监控报警式防变形支撑组件13包括支撑杆14、设置在所述支撑杆14一端的固定支撑头15和设置在所述支撑杆14另一端的可调支撑头16，所述固定支撑头15包括依次连接的圆柱金属支撑体17、橡胶板18和弧形顶头19，所述橡胶板18上朝向所述圆柱金属支撑体17的一面设置有沉槽，所述沉槽内设置有导电片20，所述导电片20与所述圆柱金属支撑体17的端面之间设置有间隙，所述圆柱金属支撑体17上开设有第一安装孔，所述第一安装孔内安装有第一电池盒22和第一报警器23，所述导电片20、第一电池盒22、第一报警器23和圆柱金属支撑体17依次通过导线24串联连接。

其中，所述第一电池盒22内设置有第一电池和第一控制线路板，所述导电片20、第一电池盒22、第一报警器23和圆柱金属支撑体17依次通过导线串联连接在所述第一控制线路板上，当所述导电片20与所述圆柱金属支撑体17电性接触时，所述第一报警器23发出报警。

优选的，所述圆柱金属支撑体17上开设有第二安装孔，所述第二安装孔内安装有第二电池盒33和第二报警器34，所述弧形顶头19、第二电池盒22、第二报警器34和桅屋壳体1之间依次通过导线串联连接。

其中，所述第二电池盒22内设置有第二电池和第二控制线路板，所述弧形顶头19、第二电池盒22、第二报警器34和桅屋壳体1之间依次通过导线串联连接在所述第二控制线路板上，当所述弧形顶头19与所述桅屋壳体1的内壁脱开时，所述第二报警器34发出报警。

优选的，所述第一报警器23、第二报警器34为蜂鸣器或LED指示灯。

优选的，所述支撑杆14为空心管，所述空心管分别与所述固定支撑头15、可调支撑头16螺纹配合连接。

本实施例中，还设置有方便所述监控报警式防变形支撑组件13安装定位的磁吸式挂钩组件25，所述磁吸式挂钩组件25包括分别外套在所述支撑杆14两端并通过螺钉26进行固定的滑套27、连接在所述滑套27上的第一支座28、通过铰轴29转动设置在所述第一支座28上的连杆30，所述连杆30的另一端通过铰轴转动设置有第二支座31，所述第二支座31上设置有用于连接所述桅屋壳体1内壁的磁性吸盘32。

所述监控报警式防变形支撑组件13安装后，在桅屋壳体1内壁固定一百分表35，并将所述百分表35的检测头接触所述支撑杆14的端面，利用橡胶板18的弹性变形，通过调整可调支撑头16使得所述橡胶板18产生一定的预压缩变形，并使得所述导电片20与所述圆柱金属支撑体17之间形成预定的间隙。

优选的，所述预压缩变形的大小与所述预定的间隙的大小设置为相同，且所述预压缩变形的大小或所述预定的间隙的大小作为所述桅屋壳体1的最大许用变形量。

上述监控报警式防变形支撑组件13使用时，先用磁吸式挂钩组件25将监控报警式防变形支撑组件13吊挂在桅屋壳体1内部，调整防变形支撑组件13中的可调支撑头，形成所述监控报警式防变形支撑组件13的预压缩变形，并使得所述预压缩变形的大小与所述预定的间隙的大小设置为相同。如焊接过程中发生桅屋壳体1的应力变形超过允许值时，则会导致防变形支撑组件13中的导电片20与圆柱金属支撑体17电性接触，或者导致导致桅屋壳体1内壁脱开弧形顶头19，由此引起第一报警器23或第二报警器34发出报警，提醒焊接作业人员及时采取纠正措施。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种采用有限元计算的自卸船桅屋，其特征在于，包括由钢板拼合并对接焊接所合围形成的桅屋壳体以及设置在所述桅屋壳体壁上的防变形筋板，所述桅屋壳体的底部连接船舶上层甲板，所述桅屋壳体的后侧面下部连接船舶上层甲板与首楼甲板之间形成的台阶侧面，所述桅屋壳体的上半部设置有向着前侧方向水平悬伸的悬伸凸部，所述悬伸凸部与所述船舶上层甲板之间形成自卸臂的端部安装空间，所述桅屋壳体的顶部靠前侧位置安装有一油缸座，所述桅屋壳体的顶部靠后侧位置设置有一连接于所述桅屋壳体的顶面与所述桅屋壳体的后侧面之间的第一倾斜面，所述第一倾斜面相对于所述船舶上层甲板之间的倾斜角为25～45°。

2.根据权利要求1所述的一种采用有限元计算的自卸船桅屋，其特征在于，所述桅屋壳体的顶部前侧设置有内置空间，所述油缸座转动设置在所述内置空间中，且所述油缸座的转动中心与船舶甲板上安装自卸臂的回转座中心同轴。

3.根据权利要求2所述的一种采用有限元计算的自卸船桅屋，其特征在于，所述油缸座上设置有连接自卸臂的拉伸油缸以实现对自卸臂的变幅控制。

4.根据权利要求1所述的一种采用有限元计算的自卸船桅屋，其特征在于，所述桅屋壳体的顶部靠前侧位置设置有一连接于所述桅屋壳体的顶面与所述桅屋壳体的前侧面之间的第二倾斜面。

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