2024年5月21日发(作者：扈觅丹)
第２６卷第６期
２００９年１２月
江苏船舶
ＪＩＡＮＧＳＵ ＳＨＩＰ
Ｖｏ１．２６ ＮＯ．６
Ｄｅｃ．２０ｏ９
７００ｔ起重船船体及千斤柱有限元强度分析
杨 辉
（江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏镇江２１２００３）
摘要：为计算７００ｔ自航起重船在各种载荷工况下的强度，依据相关的船舶法规，根据设计图中的结构尺寸，利
用ＭＳＣ／ＰＡＴＲＡＮ建立了起重船主船体及千斤柱的有限元模型，给出了外载荷的计算方法和边界条件的施加方
法，应用ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ对４种工况下起重船的强度进行了分析，计算给出了船体及千斤柱的应力分布及最大
应力出现的部位，并对计算结果进行了校核，结果表明结构强度满足强度要求。通过有限元分析得到的结论可
用于指导起重船的结构设计与优化。
关键词：起重船；船体结构；有限元分析
中图分类号：Ｕ６６１．４２ 文献标识码：Ａ
０ 引言
起重船不仅是港口船舶装卸的重要工具，而且
在港口建设、造船工程、桥梁建筑、水下救捞以及各
种海洋工程中均具有广泛用途。随着海洋石油开
发、大型海上工程和海难救助事业的发展，大型起重
船作为不可缺少的工程船舶，近几十年来有了长足
的发展。在我国，海上平台吊装已有不少，现在海
上平台的拆卸也提上议事日程，这些工程最主要的
装备就是大型起重船。我国最近大型桥梁工程很
多，这些工程的桥面板吊装主要依靠大型起重船。
在以往设计中，以静载荷以及基于经验的动载系数
方法确定各构件的强度¨ｌ２ Ｊ，常常造成各构件的安
全裕度不相称。起重船在结构设计时通常采用直接
计算的方法进行强度校核 ’４ Ｊ。本文应用ＭＳＣ／
ＰＡＴＲＡＮ，ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ软件对７００ｔ自航起重船
总长
７８．０ｍ
７７．９５ｍ
７５．２ｍ
３０．Ｏｍ
水线长
垂线间长
型宽
型深
５．６０ｍ
３．２０ｍ
３．８５ｍ
设计吃水
作业吃水
纵骨间距
０．６２ｍ
的船体及千斤柱强度进行了计算校核。
１船体说明及有限元模型
１．１船体说明
图１ ７００ｔ起重船总布置图
１．２有限元模型及边界条件
７００ｔ自航起重船在近海航区调遣、沿海及内河
Ａ级航区作业，主钩起吊能力为２×３５０ｔ，副钩起吊
能力为２×ｌＯＯｔ。在调遣航行过程中，可将吊杆变
幅，将吊杆放置在１７。位置，以便通过一些河道上的
桥梁。７００ｔ自航起重船总布置图如图１所示。
该船主要量度如下：
收稿日期：２００９—０９一ｌＯ
全船及千斤柱有限元模型如图２所示。取直角
坐标系，坐标原点位于船体中心线ＦｒＯ肋位处，ｘ轴
沿船长指向船首为正，Ｙ轴沿船宽指向左舷为正，ｚ
轴沿型深向上为正。有限元模型单位：长度为ｍｍ，
力为Ｎ。
边界条件：Ｆｒ９肋位的横舱壁与船底板相连的
下端取ｘ、Ｙ、ｚ位移为零；Ｆｒ８６肋位的横舱壁与船底
板相连的下端取Ｙ、ｚ位移为零。
１．３计算工况及荷载
７００ｔ起重机构扒杆强度计算工况及外力计算按
作者简介：杨辉（１９７６一），男，江苏省船舶设计研究所有限公司工程
师，主要从事船舶设计工作。
１６ 江苏船舶 第２６卷
《船舶及海上设施法定检验规则》之《起重设备法定
检验技术规则》（２００１）进行校核、计算。本船的计
算荷载工况如下：
２计算结果
２．１船体及千斤柱变形云图及应力云图
图２全船及千斤柱有限兀模型
工况１：起重机工作于无风状态，扒杆角度为
７０。：钢丝绳拉力Ｔ＝８．２３３ Ｘ １０ ｋＮ，扒杆对底座的
压力Ｆ＝３．０９９ Ｘ１０ ｋＮ；
起重机臂杆放到倾角为１７。位置，空载过桥：
＝
１．１８６ ７×１０ ｋＮ，Ｆ＝１．５６０ １ Ｘ１０ ｋＮ；
工况２：起重机工作于有风作业状态，扒杆角度
为７Ｏ。：Ｔ＝１．１０４ ８ Ｘ１０ ｋＮ，Ｆ＝４．０５９ ９ Ｘ１０ ｋＮ；
工况３：起重机在放置状态（扒杆角度为４５。），
荷载组合１：Ｔ＝１．３４５ ４ Ｘ １０ ｋＮ，Ｆ＝３．２７７ ２ Ｘ
１０ ｋＮ；荷载组合２：Ｔ＝１．００１ ９ Ｘ１０ ｋＮ Ｆ＝４．４８５ ７
Ｘ１０ ｋＮ；
工况４：起重机承受特殊载荷。起重机进行试
验时的试验载荷：Ｔ＝８．７８ Ｘ １０ ｋＮ，Ｆ＝３．３０３ Ｘ
１０ ｋＮ。
１．４许用应力
１．４．１起重机结构许用应力计算
许用应力按下式计算：
ｓ＝０．７３４０＂６
式中： 为钢材屈服强度，ＭＰａ； 为抗拉强度，
＝４７０—６３０ＭＰａ，实取ｏｒ＾＝４７０ＭＰａ；０．７３４为屈服
比。
［ ＝ ｓ／（ ）
式中：［ ］为为许用应力，ＭＰａ；ｔｒ ＝３４５ＭＰａ（材质为
Ｑ３４５Ｂ）； 为系数，根据钢材的屈服比按《船舶及海
上设施法定检验规则》的第２章表３．５，用插入法计
算得出：系数 ＝１．０３０ ６；ｎ为安全系数。
起重机结构安全系数及许用应力见表１。
１．４．２船体主要构件许用应力
船体主要构件许用应力见表２。
因为篇幅所限，本文仅仅列出了工况３载荷组
合１时应力云图，如图３—８所示。
表１起重机结构安全系数及许用应力
工况 ｌ ２ ３ ４
安全系数ｎ １．５ １．３３ １．１５ １．１５
许用应力／ＭＰａ ２２３ ２５２ ２９１ ２９１
表２船体主要构件许用应力
主要构件 许用应力／ＭＰａ
甲板 ２８２（Ｉ－ｔ３２高强度钢），２２０（普通钢）
纵舱壁 ２３５
横舱壁 １７５
其他船体结构 １７５
ＣＰ １ ２ ¨｛２ ｅ 日１ ４．０４：５３
Ｆｎ￣ｌｅ ＬＣ３，１§ ｃ ｓ１．ｂ∞” ＯｉＳｐＭｃｅｍｅｒｔ￣Ｔ ０ｎ
Ｄ８ｈｍＬＣ３－１ Ｓ１ ｃＳｕｂ—Ｄ＇ ｌ科ｍ目帆Ｔｒ６ｎｓＩ＾抽ｎ
图３船体及千斤柱整体变形云图
．
墨耋。ｉ
匾罾＝ ＿妻ｚ ．曼＿ 酒Ⅲ Ⅲ一
图４船体及千斤柱整体应力云图
ＭＳ０Ｐ帅１ ２ ０吖‘２ｅ－Ｏｅ ∞１４：０ｇ ３８
Ｆｎｎｇｅ：ＬＣ３－１ 铷 Ｓｕｂｃ￣，ｅ：５＂ＷｔｌＴ￣ｔｏｒ，・２ ２＇ｅ ｗ・（Ａｗ￣１）（ＹＯＮ
图５千斤柱应力云图
第６期 杨辉：７００ｔ起重船船体及千斤柱有限元强度分析 １７
图６船体应力云图
恙 盘
ｈ ６￣＇Ｏ０１￣１ｑｄ６５６９
图７
全船纵、横舱壁的应力云图
图８去除甲板后的应力云图
２．２计算结果统计及最大应力出现部位
工况ｌ中，扒杆角度为７０。时：千斤柱所受的最
大应力１２２ＭＰａ小于许用应力，最大应力所在区域
为左舷斜立柱与直立柱交界处肘板附近；船体结构
所受的最大应力１２２ＭＰａ小于许用应力，最大应力
所在区域为Ｆｒ４２、距中７ ４４０ｍｍ船体右舷甲板处附
近。扒杆角度为ｌ７。时，千斤柱所受的最大应力
１７０ＭＰａ小于许用应力，最大应力所在区域为左舷斜
立柱与直立柱交界处肘板附近，船体结构所受的最
大应力１５２ＭＰａ小于许用应力，最大应力所在区域
为右舷Ｆｒ４２、距中８ ６８０ｍｍ纵舱壁、船体甲板相交
处附近。
工况２中，千斤柱所受的最大应力１６４ＭＰａ小
于许用应力，最大应力所在区域为左舷斜立柱与直
立柱交界处肘板附近；船体结构所受的最大应力
１６２ＭＰａ小于许用应力，最大应力所在区域为Ｆｒ４２、
距中７ ４４０ｒａｍ船体右舷甲板处附近。
工况３中，载荷组合ｌ时，千斤柱所受的最大应
力２０２ＭＰａ小于许用应力，最大应力所在区域为左
舷斜立柱与直立柱交界处肘板附近；船体结构所受
的最大应力１８３ＭＰａ小于许用应力，最大应力所在
区域为船体甲板、距中７ ２００ｒａｍ纵舱壁、千斤柱的
斜立柱三者相交处附近。载荷组合２时，千斤柱所
受的最大应力１５０ＭＰａ小于许用应力，最大应力所
在区域为左舷斜立柱与直立柱交界处肘板附近；船
体结构所受的最大应力１７０ＭＰａ小于许用应力，最
大应力所在区域为Ｆｒ４２、距中７ ４４０ｍｍ船体右舷甲
板处附近。
工况４中，千斤柱所受的最大应力１３０ＭＰａ小
于许用应力，最大应力所在区域为左舷斜立柱与直
立柱交界处肘板附近；船体结构所受的最大应力
１３０ＭＰａ小于许用应力，最大应力所在区域为Ｆｌ４２、
距中７ ４４０ｍｍ船体右舷甲板处附近。
３ 结论
起重船是一种特殊的船型，有着特殊的作业工
况和作业特点，其结构强度有着特殊的要求。本文
根据实际工程需要，对７００ｔ自航起重船的主船体及
千斤柱的强度进行了计算校核，计算中考虑了不同
的工况，在某些工况中计及不同载荷组合。从计算
结果来看，起重机在放置状态（扒杆角度为４５。）荷
载组合１时，千斤柱及船体所受应力都为最大，千斤
柱的最大应力所在区域为左舷斜立柱与直立柱交界
处肘板附近，而船体最大应力所在区域为船体甲板、
距中７ ２００ｒａｍ纵舱壁、千斤柱的斜立柱三者相交处
附近。在起重船设计时要重点考虑上述工况。
参考文献：
［１］孙莉，杨文仲．１２００ｔ起重船的设计分析［Ｊ］．江苏船舶，２００３，
２０（６）：２３—２５．
［２］ 任会礼，李江波．运架梁起重船起重架结构有限元分析［Ｊ］．建
筑机械，２００６，（１２）：８４—８６．
［３］ 中国船级社．船舶及海上设施法定检验规则一起重设备法定
检验技术规则［Ｍ］．北京：人民交通出版，１９９９．
［４］ 陈有芳，徐立．船舶结构强度直接计算分析中应力的选取［Ｊ］．
武汉理工大学学报：交通科学与工程版，２００４，２８（２）：１７４—１７７．
2024年5月21日发(作者：扈觅丹)
第２６卷第６期
２００９年１２月
江苏船舶
ＪＩＡＮＧＳＵ ＳＨＩＰ
Ｖｏ１．２６ ＮＯ．６
Ｄｅｃ．２０ｏ９
７００ｔ起重船船体及千斤柱有限元强度分析
杨 辉
（江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏镇江２１２００３）
摘要：为计算７００ｔ自航起重船在各种载荷工况下的强度，依据相关的船舶法规，根据设计图中的结构尺寸，利
用ＭＳＣ／ＰＡＴＲＡＮ建立了起重船主船体及千斤柱的有限元模型，给出了外载荷的计算方法和边界条件的施加方
法，应用ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ对４种工况下起重船的强度进行了分析，计算给出了船体及千斤柱的应力分布及最大
应力出现的部位，并对计算结果进行了校核，结果表明结构强度满足强度要求。通过有限元分析得到的结论可
用于指导起重船的结构设计与优化。
关键词：起重船；船体结构；有限元分析
中图分类号：Ｕ６６１．４２ 文献标识码：Ａ
０ 引言
起重船不仅是港口船舶装卸的重要工具，而且
在港口建设、造船工程、桥梁建筑、水下救捞以及各
种海洋工程中均具有广泛用途。随着海洋石油开
发、大型海上工程和海难救助事业的发展，大型起重
船作为不可缺少的工程船舶，近几十年来有了长足
的发展。在我国，海上平台吊装已有不少，现在海
上平台的拆卸也提上议事日程，这些工程最主要的
装备就是大型起重船。我国最近大型桥梁工程很
多，这些工程的桥面板吊装主要依靠大型起重船。
在以往设计中，以静载荷以及基于经验的动载系数
方法确定各构件的强度¨ｌ２ Ｊ，常常造成各构件的安
全裕度不相称。起重船在结构设计时通常采用直接
计算的方法进行强度校核 ’４ Ｊ。本文应用ＭＳＣ／
ＰＡＴＲＡＮ，ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ软件对７００ｔ自航起重船
总长
７８．０ｍ
７７．９５ｍ
７５．２ｍ
３０．Ｏｍ
水线长
垂线间长
型宽
型深
５．６０ｍ
３．２０ｍ
３．８５ｍ
设计吃水
作业吃水
纵骨间距
０．６２ｍ
的船体及千斤柱强度进行了计算校核。
１船体说明及有限元模型
１．１船体说明
图１ ７００ｔ起重船总布置图
１．２有限元模型及边界条件
７００ｔ自航起重船在近海航区调遣、沿海及内河
Ａ级航区作业，主钩起吊能力为２×３５０ｔ，副钩起吊
能力为２×ｌＯＯｔ。在调遣航行过程中，可将吊杆变
幅，将吊杆放置在１７。位置，以便通过一些河道上的
桥梁。７００ｔ自航起重船总布置图如图１所示。
该船主要量度如下：
收稿日期：２００９—０９一ｌＯ
全船及千斤柱有限元模型如图２所示。取直角
坐标系，坐标原点位于船体中心线ＦｒＯ肋位处，ｘ轴
沿船长指向船首为正，Ｙ轴沿船宽指向左舷为正，ｚ
轴沿型深向上为正。有限元模型单位：长度为ｍｍ，
力为Ｎ。
边界条件：Ｆｒ９肋位的横舱壁与船底板相连的
下端取ｘ、Ｙ、ｚ位移为零；Ｆｒ８６肋位的横舱壁与船底
板相连的下端取Ｙ、ｚ位移为零。
１．３计算工况及荷载
７００ｔ起重机构扒杆强度计算工况及外力计算按
作者简介：杨辉（１９７６一），男，江苏省船舶设计研究所有限公司工程
师，主要从事船舶设计工作。
１６ 江苏船舶 第２６卷
《船舶及海上设施法定检验规则》之《起重设备法定
检验技术规则》（２００１）进行校核、计算。本船的计
算荷载工况如下：
２计算结果
２．１船体及千斤柱变形云图及应力云图
图２全船及千斤柱有限兀模型
工况１：起重机工作于无风状态，扒杆角度为
７０。：钢丝绳拉力Ｔ＝８．２３３ Ｘ １０ ｋＮ，扒杆对底座的
压力Ｆ＝３．０９９ Ｘ１０ ｋＮ；
起重机臂杆放到倾角为１７。位置，空载过桥：
＝
１．１８６ ７×１０ ｋＮ，Ｆ＝１．５６０ １ Ｘ１０ ｋＮ；
工况２：起重机工作于有风作业状态，扒杆角度
为７Ｏ。：Ｔ＝１．１０４ ８ Ｘ１０ ｋＮ，Ｆ＝４．０５９ ９ Ｘ１０ ｋＮ；
工况３：起重机在放置状态（扒杆角度为４５。），
荷载组合１：Ｔ＝１．３４５ ４ Ｘ １０ ｋＮ，Ｆ＝３．２７７ ２ Ｘ
１０ ｋＮ；荷载组合２：Ｔ＝１．００１ ９ Ｘ１０ ｋＮ Ｆ＝４．４８５ ７
Ｘ１０ ｋＮ；
工况４：起重机承受特殊载荷。起重机进行试
验时的试验载荷：Ｔ＝８．７８ Ｘ １０ ｋＮ，Ｆ＝３．３０３ Ｘ
１０ ｋＮ。
１．４许用应力
１．４．１起重机结构许用应力计算
许用应力按下式计算：
ｓ＝０．７３４０＂６
式中： 为钢材屈服强度，ＭＰａ； 为抗拉强度，
＝４７０—６３０ＭＰａ，实取ｏｒ＾＝４７０ＭＰａ；０．７３４为屈服
比。
［ ＝ ｓ／（ ）
式中：［ ］为为许用应力，ＭＰａ；ｔｒ ＝３４５ＭＰａ（材质为
Ｑ３４５Ｂ）； 为系数，根据钢材的屈服比按《船舶及海
上设施法定检验规则》的第２章表３．５，用插入法计
算得出：系数 ＝１．０３０ ６；ｎ为安全系数。
起重机结构安全系数及许用应力见表１。
１．４．２船体主要构件许用应力
船体主要构件许用应力见表２。
因为篇幅所限，本文仅仅列出了工况３载荷组
合１时应力云图，如图３—８所示。
表１起重机结构安全系数及许用应力
工况 ｌ ２ ３ ４
安全系数ｎ １．５ １．３３ １．１５ １．１５
许用应力／ＭＰａ ２２３ ２５２ ２９１ ２９１
表２船体主要构件许用应力
主要构件 许用应力／ＭＰａ
甲板 ２８２（Ｉ－ｔ３２高强度钢），２２０（普通钢）
纵舱壁 ２３５
横舱壁 １７５
其他船体结构 １７５
ＣＰ １ ２ ¨｛２ ｅ 日１ ４．０４：５３
Ｆｎ￣ｌｅ ＬＣ３，１§ ｃ ｓ１．ｂ∞” ＯｉＳｐＭｃｅｍｅｒｔ￣Ｔ ０ｎ
Ｄ８ｈｍＬＣ３－１ Ｓ１ ｃＳｕｂ—Ｄ＇ ｌ科ｍ目帆Ｔｒ６ｎｓＩ＾抽ｎ
图３船体及千斤柱整体变形云图
．
墨耋。ｉ
匾罾＝ ＿妻ｚ ．曼＿ 酒Ⅲ Ⅲ一
图４船体及千斤柱整体应力云图
ＭＳ０Ｐ帅１ ２ ０吖‘２ｅ－Ｏｅ ∞１４：０ｇ ３８
Ｆｎｎｇｅ：ＬＣ３－１ 铷 Ｓｕｂｃ￣，ｅ：５＂ＷｔｌＴ￣ｔｏｒ，・２ ２＇ｅ ｗ・（Ａｗ￣１）（ＹＯＮ
图５千斤柱应力云图
第６期 杨辉：７００ｔ起重船船体及千斤柱有限元强度分析 １７
图６船体应力云图
恙 盘
ｈ ６￣＇Ｏ０１￣１ｑｄ６５６９
图７
全船纵、横舱壁的应力云图
图８去除甲板后的应力云图
２．２计算结果统计及最大应力出现部位
工况ｌ中，扒杆角度为７０。时：千斤柱所受的最
大应力１２２ＭＰａ小于许用应力，最大应力所在区域
为左舷斜立柱与直立柱交界处肘板附近；船体结构
所受的最大应力１２２ＭＰａ小于许用应力，最大应力
所在区域为Ｆｒ４２、距中７ ４４０ｍｍ船体右舷甲板处附
近。扒杆角度为ｌ７。时，千斤柱所受的最大应力
１７０ＭＰａ小于许用应力，最大应力所在区域为左舷斜
立柱与直立柱交界处肘板附近，船体结构所受的最
大应力１５２ＭＰａ小于许用应力，最大应力所在区域
为右舷Ｆｒ４２、距中８ ６８０ｍｍ纵舱壁、船体甲板相交
处附近。
工况２中，千斤柱所受的最大应力１６４ＭＰａ小
于许用应力，最大应力所在区域为左舷斜立柱与直
立柱交界处肘板附近；船体结构所受的最大应力
１６２ＭＰａ小于许用应力，最大应力所在区域为Ｆｒ４２、
距中７ ４４０ｒａｍ船体右舷甲板处附近。
工况３中，载荷组合ｌ时，千斤柱所受的最大应
力２０２ＭＰａ小于许用应力，最大应力所在区域为左
舷斜立柱与直立柱交界处肘板附近；船体结构所受
的最大应力１８３ＭＰａ小于许用应力，最大应力所在
区域为船体甲板、距中７ ２００ｒａｍ纵舱壁、千斤柱的
斜立柱三者相交处附近。载荷组合２时，千斤柱所
受的最大应力１５０ＭＰａ小于许用应力，最大应力所
在区域为左舷斜立柱与直立柱交界处肘板附近；船
体结构所受的最大应力１７０ＭＰａ小于许用应力，最
大应力所在区域为Ｆｒ４２、距中７ ４４０ｍｍ船体右舷甲
板处附近。
工况４中，千斤柱所受的最大应力１３０ＭＰａ小
于许用应力，最大应力所在区域为左舷斜立柱与直
立柱交界处肘板附近；船体结构所受的最大应力
１３０ＭＰａ小于许用应力，最大应力所在区域为Ｆｌ４２、
距中７ ４４０ｍｍ船体右舷甲板处附近。
３ 结论
起重船是一种特殊的船型，有着特殊的作业工
况和作业特点，其结构强度有着特殊的要求。本文
根据实际工程需要，对７００ｔ自航起重船的主船体及
千斤柱的强度进行了计算校核，计算中考虑了不同
的工况，在某些工况中计及不同载荷组合。从计算
结果来看，起重机在放置状态（扒杆角度为４５。）荷
载组合１时，千斤柱及船体所受应力都为最大，千斤
柱的最大应力所在区域为左舷斜立柱与直立柱交界
处肘板附近，而船体最大应力所在区域为船体甲板、
距中７ ２００ｒａｍ纵舱壁、千斤柱的斜立柱三者相交处
附近。在起重船设计时要重点考虑上述工况。
参考文献：
［１］孙莉，杨文仲．１２００ｔ起重船的设计分析［Ｊ］．江苏船舶，２００３，
２０（６）：２３—２５．
［２］ 任会礼，李江波．运架梁起重船起重架结构有限元分析［Ｊ］．建
筑机械，２００６，（１２）：８４—８６．
［３］ 中国船级社．船舶及海上设施法定检验规则一起重设备法定
检验技术规则［Ｍ］．北京：人民交通出版，１９９９．
［４］ 陈有芳，徐立．船舶结构强度直接计算分析中应力的选取［Ｊ］．
武汉理工大学学报：交通科学与工程版，２００４，２８（２）：１７４—１７７．