周 佳 鐘 晨 鐘文軍

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011；2.海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

引 言

大型自航半潛式起重鋪管工程船，可在無(wú)限航區(qū)航行，并可在滿足作業(yè)環(huán)境條件的海區(qū)進(jìn)行海洋工程的吊裝、鋪管等作業(yè)。其作業(yè)時(shí)不但遭受波浪載荷作用，同時(shí)還承受較大的起重作業(yè)載荷，受力情況十分復(fù)雜，對(duì)船體總強(qiáng)度要求也相當(dāng)高，因而很有必要在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度和局部強(qiáng)度評(píng)估，這是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文在全船波浪載荷預(yù)報(bào)、全船總強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)——立柱與上船體連接處進(jìn)行細(xì)化模型分析和疲勞壽命計(jì)算，介紹分析過(guò)程和計(jì)算結(jié)果。

1 船型簡(jiǎn)介

該船是一艘鋼質(zhì)、全電焊半潛型起重鋪管工程船。主船體由左右2個(gè)流線型的下浮體，4對(duì)立柱和橫撐以及箱型上平臺(tái)構(gòu)成，參見(jiàn)下頁(yè)圖1。

本船的主要尺度及參數(shù)如下：

圖1 半潛起重鋪管船側(cè)視圖

該船主要由沉沒(méi)于水下的下浮體和立柱提供浮力，同時(shí)僅由立柱提供有限的水線面面積，因此保證了在極端惡劣海況下的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能。此外，作業(yè)設(shè)備和工作平面設(shè)置于箱型的上船體，由于遠(yuǎn)離水面，故不易直接受海水波浪載荷影響。

然而，因半潛式起重鋪管船的整體結(jié)構(gòu)存在大量的幾何突變，在波浪環(huán)境中受力復(fù)雜，尤其是立柱和上平臺(tái)連接區(qū)域，起著承上啟下的重要作用［1］。為了保證結(jié)構(gòu)的安全，本文將對(duì)該處兩種不同連接型式進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)比兩者在強(qiáng)度、疲勞和施工建造等方面的優(yōu)劣，相關(guān)結(jié)論可供設(shè)計(jì)者參考。

2 結(jié)構(gòu)對(duì)比分析基礎(chǔ)

全船總強(qiáng)度結(jié)構(gòu)模型為空間板梁組合模型。模型整體上采用粗網(wǎng)格單元，網(wǎng)格尺度取為2倍肋距。外板、艙壁板、甲板板，強(qiáng)框腹板采用殼單元，強(qiáng)框面板、縱骨、艙壁扶強(qiáng)材采用梁?jiǎn)卧O(shè)備、壓載水、吊重等采用質(zhì)量單元。總體模型約32萬(wàn)個(gè)單元，17萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，參見(jiàn)圖2。

圖2 全船有限元模型

根據(jù)3種工況不同的裝載狀況、吃水、質(zhì)量分布和海況分別建模進(jìn)行計(jì)算。其中，作業(yè)工況需要考慮起重時(shí)的外載荷最大，波浪工況只需要計(jì)算一年一遇即可，航行工況需要計(jì)算20年一遇的波浪載荷，生存工況則需要考慮目標(biāo)海域百年一遇的波浪載荷。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，半潛式起重鋪管船的危險(xiǎn)波浪工況包括［2-5］：

（1）最大橫向分離力狀態(tài)；

（2）最大扭轉(zhuǎn)狀態(tài)；

（3）最大縱向剪力狀態(tài)；

（4）最大縱向加速度狀態(tài)；

（5）最大橫向加速度狀態(tài)；

（6）最大垂向彎矩狀態(tài)；

（7）最大垂向剪力狀態(tài)。

通過(guò)分析該船作業(yè)、航行與生存載況以及不同典型危險(xiǎn)波浪工況的總強(qiáng)度，選取最危險(xiǎn)的2號(hào)立柱與上平臺(tái)連接區(qū)域進(jìn)行不同連接形式的結(jié)構(gòu)分析比較。

3 關(guān)鍵區(qū)域計(jì)算比較分析

3.1 連接形式說(shuō)明

結(jié)合工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和本船的實(shí)際情況，對(duì)立柱外板與上平臺(tái)連接區(qū)域采用圓弧連接和折角連接兩種形式分別進(jìn)行分析和對(duì)比，探討其適用性和各自的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)兩種型式分別建立細(xì)網(wǎng)格模型（見(jiàn)下頁(yè)圖3和圖4），細(xì)化區(qū)域網(wǎng)格大小近似取為板厚×板厚，細(xì)化范圍參考規(guī)范要求適當(dāng)擴(kuò)大。

3.2 強(qiáng)度分析與比較

圖3 轉(zhuǎn)圓連接型式的細(xì)網(wǎng)格有限元模型

圖4 折角連接型式的細(xì)網(wǎng)格有限元模型

在全船總強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，篩選出立柱和上平臺(tái)連接的控制工況為航行工況的最大橫向加速度時(shí)最為危險(xiǎn)。采用子模型技術(shù)，將總強(qiáng)度載荷通過(guò)邊界傳遞到細(xì)化模型上，對(duì)該連接局部進(jìn)行細(xì)化分析和考察。細(xì)化分析所得應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5-圖8。

圖5 立柱與上平臺(tái)連接處縱橫艙壁和立柱外板的應(yīng)力云圖（轉(zhuǎn)圓連接型式）

圖6 立柱與上平臺(tái)連接處內(nèi)底板和內(nèi)底內(nèi)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖（轉(zhuǎn)圓連接型式）

圖7 立柱與上平臺(tái)連接處縱橫艙壁和立柱外板的應(yīng)力云圖（折角連接型式）

圖8 立柱與上平臺(tái)連接處內(nèi)底板和內(nèi)底內(nèi)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖（折角接型式）

比較應(yīng)力云圖可以看出：兩種方案的最大應(yīng)力相差不大，均可以滿足規(guī)范要求的許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。轉(zhuǎn)圓連接型式最大應(yīng)力為376 MPa，出現(xiàn)在圓角和縱橫艙壁相切處；折角連接型式最大應(yīng)力為372 MPa，出現(xiàn)在肘板趾端。為滿足規(guī)范的強(qiáng)度要求，折角連接型式在高應(yīng)力區(qū)域所需設(shè)計(jì)板厚要比轉(zhuǎn)圓連接型式高出不少，最大應(yīng)力出現(xiàn)的為位置板厚（40 mm，AH36）要大大超過(guò)轉(zhuǎn)圓連接（30 mm，AH36），但是轉(zhuǎn)圓連接型式的應(yīng)力集中問(wèn)題對(duì)板厚變化不太敏感，如果應(yīng)力進(jìn)一步增大，很難通過(guò)增加板厚來(lái)解決。相對(duì)而言，折角連接型式只需要增大肘板尺度即可有效降低高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力水平。

在轉(zhuǎn)圓連接方案中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)圓和縱橫艙壁連接的相切處，局部應(yīng)力變化較大，有限元計(jì)算結(jié)果可能會(huì)有較大誤差；同時(shí)該處高應(yīng)力點(diǎn)施工建造不易處理，建造誤差可能進(jìn)一步導(dǎo)致局部應(yīng)力水平升高。而在折角連接方案里，最大應(yīng)力出現(xiàn)在肘板趾端，可以通過(guò)改變肘板設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，同時(shí)建造施工也較轉(zhuǎn)圓型更容易實(shí)施。

綜上所述，兩種連接型式均可滿足規(guī)范的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。從設(shè)計(jì)代價(jià)而言，轉(zhuǎn)圓型式更為經(jīng)濟(jì)，從適應(yīng)性和施工便利而言，折角型式更佳。推薦采用折角型式的連接。

3.3 疲勞分析與比較

根據(jù)CCS《船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南》的要求，采用簡(jiǎn)化方法對(duì)設(shè)計(jì)波進(jìn)行折算，便可得到較為保守的結(jié)果［6-8］。使用疲勞累積損傷法對(duì)兩種連接型式共計(jì)6處熱點(diǎn)（疲勞熱點(diǎn)分析位置如圖9和圖10所示）進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算，所得結(jié)果如表1所示。

圖9 立柱與上平臺(tái)連接處疲勞熱點(diǎn)選?。ㄞD(zhuǎn)圓連接型式）

圖10 立柱與上平臺(tái)連接處疲勞熱點(diǎn)選取（折角連接型式）

從表1所列的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，采用折角連接型式時(shí)，C、D、E、F 4處熱點(diǎn)疲勞壽命明顯高于采用轉(zhuǎn)圓連接型式時(shí)A、B兩處的疲勞壽命，而且相對(duì)轉(zhuǎn)圓連接型式而言，折角連接型式明顯更便于檢驗(yàn)和維護(hù)。因此，在疲勞強(qiáng)度方面，折角連接型式比轉(zhuǎn)圓連接型式更具優(yōu)勢(shì)。

表1 不同熱點(diǎn)疲勞壽命計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)半潛起重鋪管船關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)——立柱與上平臺(tái)連接節(jié)點(diǎn)的細(xì)化分析，比較了轉(zhuǎn)圓連接型式和折角連接型式兩種結(jié)構(gòu)型式在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命以及施工、檢驗(yàn)方面的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合比較后，最終推薦采用折角型的連接型式。本文所述內(nèi)容、方法與結(jié)論可供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。

［1］ 蔣彩霞，劉俊杰，胡嘉駿.深水半潛平臺(tái)關(guān)鍵部位強(qiáng)度特性研究［C］.紀(jì)念徐秉漢院士船舶與海洋結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2011：55-60.

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［3］ 馮國(guó)慶，任惠龍，李輝，等.基于直接計(jì)算的半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度評(píng)估［J］.2009（3）：255-261.

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［6］ 楊鵬，顧學(xué)康.半潛平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估方法比較［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2012（8）：112-118

［7］ 楊鵬，顧學(xué)康.半潛平臺(tái)疲勞波浪載荷的不確定性研究［J］.船舶力學(xué)，2012（11）：1274-1282.

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