周貴斌 王樹青 成斌

（煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司 山東 煙臺(tái) 264000）

半潛式起重平臺(tái)上船體整體吊裝有限元強(qiáng)度分析

周貴斌 王樹青 成斌

（煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司 山東 煙臺(tái) 264000）

半潛式起重平臺(tái)；有限元分析；整體吊裝；強(qiáng)度

為了保證半潛式平臺(tái)上船體在吊裝過程中的安全性，按照DNV相關(guān)原則和規(guī)定，利用CATIA軟件進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析。分析結(jié)果表明，在靜態(tài)和吊裝狀態(tài)下，通過對(duì)薄弱部位的加強(qiáng)，吊裝的安全性能夠得到保障。

王樹青（1974.07-），男，漢族，碩士，工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及有限元分析，發(fā)動(dòng)機(jī)（活塞）試驗(yàn)及活塞優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作。

成斌（1982.03-），男，漢族，助理工程師，主要從事海工行業(yè)大型模塊的吊裝模擬及分析等工作。

0 引言

借助于世界上最大的橋式起重機(jī)，一種更安全、更高效的建造工藝——“泰山合攏法”被成功應(yīng)用到了半潛式平臺(tái)建造中［1］。這種方法采用上下船體同時(shí)分段建造、整體組焊的方式，全部舾裝設(shè)備和附屬設(shè)備均在陸地上完成安裝，然后由“泰山”橋式起重機(jī)完成上下船體的對(duì)位合攏。

設(shè)計(jì)合理的吊裝方案，并對(duì)上船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析是順利實(shí)施此工程的關(guān)鍵。本文以SSCV半潛式起重平臺(tái)上船體為研究對(duì)象，利用CATIA軟件的有限元分析（FEA）模塊對(duì)其吊裝時(shí)的強(qiáng)度進(jìn)行了分析。

1 平臺(tái)基本情況及吊裝方案簡(jiǎn)介

1.1 SSCV起重平臺(tái)

SSCV是半潛式起重平臺(tái)，總起重量3 600 t。其基本參數(shù)：平臺(tái)總長(zhǎng)123.75m、寬81m、高39 m，上船體長(zhǎng)81m、寬81m，高9 m，圖1是SSCV半潛式起重平臺(tái)模型圖。其中上船體主要包括主體鋼結(jié)構(gòu)模塊，機(jī)械設(shè)備，電氣設(shè)備，管路以及舾裝等，總重量為15 536.8 t，見表1。

1.2 吊裝方案

圖1 SSCV起重平臺(tái)模型圖

表1 上船體重量一覽

使用“泰山”橋式起重機(jī)的12組分布承載式吊鉤進(jìn)行本次吊裝作業(yè)，每組吊鉤共有16個(gè)小吊鉤直接與上船體連接；上船體的兩個(gè)橫艙壁FR22和FR38作為吊裝肋位，起重機(jī)的起吊點(diǎn)布置在兩個(gè)橫艙壁與生活模塊甲板接縫處的吊耳板上，如圖2紅色區(qū)域所示；圖3為現(xiàn)場(chǎng)吊耳與吊耳板的連接。

圖2 吊點(diǎn)布置

2 有限元分析

2.1 有限元模型

圖3 吊鉤與上船體的連接

為了便于有限元分析，需要對(duì)上船體建筑進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，舾裝以及相關(guān)的一些設(shè)備忽略，通過后面的載荷處理來進(jìn)行模擬。參考挪威船級(jí)社相關(guān)規(guī)定選取合適的有限元網(wǎng)格尺寸對(duì)模型劃分網(wǎng)格，板材采用四節(jié)點(diǎn)四邊形板單元；橫梁、縱骨、縱桁等采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。整個(gè)模型共有770 123個(gè)節(jié)點(diǎn)、41 034 504個(gè)單元。

2.2 邊界條件

在本次分析中，為了更準(zhǔn)確地模擬吊鉤組的實(shí)際工作狀況，每組吊鉤用一個(gè)剛性彈簧虛擬零件（Rigid Spring Virtual Part）和一個(gè)自定義約束（Userdefined Constraint）來模擬，如圖4所示。自定義約束限制約束了3個(gè)位移自由度，釋放了3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。另外，為了避免剛性位移，在平臺(tái)底部邊沿施加了2個(gè)自定義約束，橫向邊約束橫向位移，縱向邊約束縱向位移。

圖4 有限元模型

2.3 載荷模擬

圖5 邊界條件

通過定義有限元模型中構(gòu)件單元的材料及密度，CATIA程序可以自動(dòng)計(jì)算船體結(jié)構(gòu)自重。在建立模型的時(shí)候沒有包括的大型設(shè)備、舾裝等可以根據(jù)其實(shí)際位置，通過分布力的形式施加到相應(yīng)的承載甲板上；至于其他的一些小構(gòu)件，重量相對(duì)較小，可以通過調(diào)整材料密度大小或者重力加速度的方式予以考慮。在計(jì)算前，還需要調(diào)整模型的重量、重心，使其與實(shí)際結(jié)構(gòu)的重量、重心保持一致［2］。

另外，對(duì)于此類起吊作業(yè)，根據(jù)DNV的相關(guān)規(guī)定和原則［4］，應(yīng)該將偏心系數(shù)引入到分析過程中，其定義式如下：

其中，γdesign是設(shè)計(jì)因數(shù),γf是載荷因數(shù)，γc偏心因數(shù)。通過在設(shè)置密度或者及施加載荷的時(shí)候，將相應(yīng)的數(shù)值大小放大1.69倍來實(shí)現(xiàn)。

3 分析結(jié)果

3.1 許用應(yīng)力

整座平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)均采用AH36、DH36或者更高級(jí)別的高強(qiáng)度船用鋼鐵材料，其許用應(yīng)力不小于355 MPa，參照ULS屈服應(yīng)力檢測(cè)規(guī)定，還應(yīng)當(dāng)取1.15作為材料系數(shù)［3］。因此，在本次分析中，鋼鐵材料許用應(yīng)力取355/1.15=308 MPa。

3.2 吊裝過程中上船體的受力及變形分析

圖6為起吊過程中上船體的整體應(yīng)力分布云圖；另外，還著重考察了吊裝肋位FR22和FR38兩個(gè)艙壁的受力分布情況，如圖7所示。圖8為上船體整體變形分布云圖。

3.3 各組吊耳的支反力計(jì)算

圖6 上船體整體應(yīng)力分布云圖

圖7 吊裝肋位橫艙壁應(yīng)力分布云圖

圖8 上船體整體變形分布云圖

通過CATIA軟件求解模塊中自帶的虛擬傳感器，還可以求出每個(gè)圓錐鉸約束的支反力，這個(gè)數(shù)值與每組吊耳的拉力相當(dāng)，見表2。

表2 每組吊鉤支反力一覽

4 結(jié)論和建議

（1）計(jì)算結(jié)果顯示，上船體最大應(yīng)力值為302MPa，小于材料的許用應(yīng)力308MPa。由此可以判斷，我們的吊裝設(shè)計(jì)方案以及局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)符合DNV起吊安全作業(yè)要求；

（2）對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力值或者變形較大的區(qū)域，特別是與吊耳連接最直接的FR22和FR38兩個(gè)艙壁，在吊裝工程實(shí)施時(shí)，質(zhì)檢人員應(yīng)當(dāng)有針對(duì)性地進(jìn)行關(guān)注和檢查；

（3）從支反力的計(jì)算結(jié)果可以看出，每組吊鉤的載荷未超過其額定載荷1 680 t；總的支反力與上船體的實(shí)際重量幾乎相等，驗(yàn)證了我們載荷模擬的精確性；在起吊過程中，吊耳的預(yù)加載荷、實(shí)時(shí)載荷以及最終的靜止載荷可參照計(jì)算值設(shè)置和調(diào)整；

（4）對(duì)于泰山合攏法，分布式承載吊鉤的布置以及多達(dá)384個(gè)吊點(diǎn)的連接，可以最大限度的使吊點(diǎn)附近區(qū)域受力均勻，不必增加過多的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。本次工程中，我們除了在吊裝肋位兩端適當(dāng)做了延伸裝置外，僅對(duì)吊裝肋位相鄰艙壁上的個(gè)別開孔進(jìn)行了封堵加強(qiáng)。

［1］周貴斌，李天俠，未俊豐.泰山合攏法工藝在半潛式平臺(tái)建造中的應(yīng)用［J］.上海造船，2010（3）：59-62.

［2］張延昌，王自力，羅廣恩等.船舶上層建筑整體吊裝強(qiáng)度有限元分析［J］.船舶工程，2006（3）：62-65.

［3］Rules for Planning and Execution of Marine Operations［S］.挪威船級(jí)社（DNV）.1996.

FEA of the integral lifting intensity for the upper hull of the semi-submersible crane platform

Zhou Guibin Wang Shuqing Cheng bin

semi-submersible crane platform；Finite Element Analysis（FEA）；Integral Lifting；Intensity

To make sure the security of the upper hull of the semi-submersible crane platform during the lifting process，a finite element analysis is carried out by CATIA in accordance with the DNV rules and regulations.The analysis shows that the security of lifting could be ensured by strengthening the weak area under the static and lifting conditions.

U671.91

A

1001-9855（2011）01-0054-04

2010-11-23

周貴斌（1979.06-），男，漢族，碩士，工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)以及有限元分析、制冷空調(diào)設(shè)備開發(fā)設(shè)計(jì)等工作。