齊金龍

（海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

引 言

托管架是S型海底管道鋪設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備，托管架與張緊器提供的水平張力配合控制管道脫離船體的曲率，避免管道由于過度彎曲產(chǎn)生屈服或者斷裂。在實(shí)際施工中，托管架及其與船體之間的連接結(jié)構(gòu)也受到復(fù)雜的載荷作用。“藍(lán)疆”號和“海洋石油202”號等大型鋪管船托管架與船體連接結(jié)構(gòu)Hitch點(diǎn)的定位插槽部位在鋪管中都曾多次出現(xiàn)變形、裂紋、撕裂等損傷。本文針對由特厚高強(qiáng)度鋼板組焊而成的托管架連接點(diǎn)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的損傷情況，通過對淺水鋪管船海洋石油202典型工況下托管架、鋪設(shè)管線和船體的整體有限元分析以及損傷區(qū)域局部有限元分析，利用ABAQUS/Explicit顯式分析對最大環(huán)境載荷及操作載荷下的構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力分析和低頻沖擊載荷分析，探討了結(jié)構(gòu)變形和損傷產(chǎn)生的原因和設(shè)計(jì)的優(yōu)化方向。

1 淺水鋪管船與托管架系統(tǒng)

1.1 淺水鋪管船主要參數(shù)

“海洋石油202”號淺水鋪管船是2009年建成的大型專業(yè)鋪管起重船，采用12點(diǎn)錨泊定位，可以鋪設(shè)管徑范圍在100～1 219 mm間的單、雙節(jié)點(diǎn)海管，最大鋪管作業(yè)水深達(dá)300 m，船舶主要參數(shù)見表1。

表1 淺水鋪管船主要參數(shù)表

該船主甲板左舷為5 000 t管線存儲區(qū)并配有1臺運(yùn)管起重機(jī)，船尾配有1臺1 200 t全旋轉(zhuǎn)起重機(jī)，右舷一側(cè)為鋪管作業(yè)線，右舷艉部連接托管架。該船自建成以來，已經(jīng)在渤海、東海和南海順利完成了十幾個項(xiàng)目600多公里海底管線的鋪設(shè)。淺水鋪管船總布置見圖1。

圖1 淺水鋪管船總布置圖

1.2 淺水鋪管船托管架系統(tǒng)簡介

該船所配置的重力式托管架系統(tǒng)位于右舷船尾，包括兩節(jié)托管架本體、與船尾連接的Hitch點(diǎn)、托管架斜撐及斜撐與船體相連的小Hitch點(diǎn)、A字架、45 t起升絞車及鋼纜、連接滑輪組等部分。

托管架主結(jié)構(gòu)是兩節(jié)截面為三角形的桁架結(jié)構(gòu)，總長76.2 m，上面設(shè)有18組高度可以調(diào)節(jié)的管線支撐滾輪。首節(jié)托管架長42.2 m，高度4.9 m，前端連接軸位置寬7.3 m，末端寬6.6m，重約166 t；第二節(jié)托管架長度34 m，前端高度4.9 m、寬度6.6 m，末端高度3.3 m、寬度2.6 m，重約74 t。兩節(jié)托管架之間采用鉸接接頭連接，下層連接點(diǎn)配有3種不同長度的調(diào)節(jié)段短節(jié)用以調(diào)節(jié)兩節(jié)托管架連接的角度。首節(jié)托管架末端有與托管架斜撐相連的鉸接點(diǎn)和連接起升鋼纜的滑輪組。

Hitch點(diǎn)是連接托管架和船尾的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，重約150 t。其向船尾一側(cè)左右各有兩個T型母插槽和一個定位插槽與船尾T型結(jié)構(gòu)配合連接，通過調(diào)整船尾T型結(jié)構(gòu)槽內(nèi)的墊塊組合，可以調(diào)節(jié)Hitch點(diǎn)與托管架的安裝高度，以適應(yīng)不同鋪管作業(yè)的需要。另一側(cè)與托管架首端銷軸連接，設(shè)有1套液壓鎖緊裝置和1套液壓抬升裝置，可以方便地實(shí)現(xiàn)托管架首端固定軸的鎖死和分離。下頁圖2展示了托管架與Hitch點(diǎn)連接、分離，以及在船尾不同安裝高度的示意圖。

托管架斜撐用以承擔(dān)托管架和管線在水中的水平載荷和限制其水平位移，一端與首節(jié)托管架末端鉸接，另一端由1個小Hitch點(diǎn)結(jié)構(gòu)與船尾左舷相連，斜撐可以與托管架在垂直方向同步轉(zhuǎn)動。

由于重力式托管架在水中的浮力不足以承擔(dān)其自重和鋪設(shè)管線的垂向載荷，在船尾設(shè)置有1個A字架和2臺45 t絞車，如下頁圖3所示。絞車鋼纜通過A字架和若干滑輪組與首節(jié)托管架末端相連，為托管架提供垂向拉力，同時可以進(jìn)行托管架入水角度的調(diào)節(jié)。在鋪管船短途調(diào)遣或遇到惡劣海況棄管待機(jī)時，上述起升系統(tǒng)可以將托管架提升至水面以上，減少波浪載荷，改善船體和托管架的生存條件。

圖2 托管架與Hitch點(diǎn)連接示意圖

圖3 淺水鋪管船托管架系統(tǒng)示意圖

1.3 托管架連接結(jié)構(gòu)Hitch點(diǎn)

Hitch點(diǎn)和起升鋼纜承擔(dān)了托管架和鋪設(shè)管線的工作載荷、運(yùn)動載荷并將載荷傳遞到船體。Hitch點(diǎn)結(jié)構(gòu)主體是由150 mm 和200 mm厚的 DH 36的鋼板組焊而成，其與船體連接的T型母插槽連結(jié)構(gòu)是由300 mm厚的DH 36級鋼板機(jī)加工后組焊而成，左右2個T型連接結(jié)構(gòu)中間各有1個小的定位插槽，用以Hitch點(diǎn)安裝過程中的定位。圖4為Hitch點(diǎn)的三維模型和實(shí)物照片。

圖4 托管架連接結(jié)構(gòu)Hitch點(diǎn)三維圖與實(shí)物

鋪管船尾部有與Hitch點(diǎn)結(jié)構(gòu)配套的兩組四個T型結(jié)構(gòu)，每組T型結(jié)構(gòu)中間有定位插條（結(jié)構(gòu)見圖2），圖5為Hitch點(diǎn)與淺水鋪管船連接的情況。

圖5 托管架連接結(jié)構(gòu)Hitch點(diǎn)與船尾結(jié)構(gòu)的連接

2 淺水鋪管船托管架連接結(jié)構(gòu)Hitch點(diǎn)在工程中的損傷情況

2.1 托管架連接結(jié)構(gòu)Hitch點(diǎn)的損傷

淺水鋪管船在鋪管作業(yè)過程中，Hitch點(diǎn)結(jié)構(gòu)曾多次在相同的定位插槽區(qū)域出現(xiàn)損傷。損傷形式都是插槽與兩側(cè)面板間的焊縫出現(xiàn)裂紋甚至撕裂，插槽在垂直方向的變形，損傷位置如圖6所示。

圖6 托管架連接結(jié)構(gòu)Hitch點(diǎn)結(jié)構(gòu)損傷情況

對Hitch點(diǎn)定位插槽部位的損傷，目前的解決辦法僅是在每次出現(xiàn)損傷后進(jìn)行焊接修復(fù)。但這種損傷情況的多次出現(xiàn)，已經(jīng)直接影響到了鋪管作業(yè)的安全和工程的實(shí)施。如何分析頻繁損傷的直接原因和找到解決方法非常必要。

2.2 Hitch點(diǎn)損傷原因的初步分析

托管架Hitch點(diǎn)一側(cè)與托管架相連，另一側(cè)通過左右側(cè)各2個T型插槽與船尾插塊相連，T型插槽中間是定位插槽與船尾的定位插塊相配合。T 型插槽和插塊是主要的受力構(gòu)件，承擔(dān)所有托管架的載荷傳遞，在工程使用中這部分從未發(fā)生異常，但Hitch點(diǎn)上的2個定位插槽頂端焊縫和兩側(cè)焊縫卻頻繁出現(xiàn)裂紋和撕裂損傷。

圖7 Hitch點(diǎn)T型插槽和定位插槽與船體結(jié)構(gòu)尺寸配合示意圖

分析Hitch點(diǎn)上T型主連接結(jié)構(gòu)、定位插槽部分與船尾主連接T型插塊、定位插條的尺寸，可以看到兩部分的配合尺寸間隙并不相同，如圖7所示。在船尾的定位插條和Hitch點(diǎn)上的定位插槽完全接觸時，船尾與Hitch點(diǎn)的T型在X和Y兩個方向上還分別有5 mm和20 mm的間隙，在Hitch點(diǎn)和船尾相對運(yùn)動時，定位插條和插槽首先將接觸和承載，局部強(qiáng)度的不足可能會造成結(jié)構(gòu)損傷。同時該處結(jié)構(gòu)有多處幾何形狀突變的尖角部位，定位插槽結(jié)構(gòu)最大厚度100 mm，兩側(cè)連接面板厚度20 mm，內(nèi)部沒有加強(qiáng)支撐，可能導(dǎo)致圖中所圈出的部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷。

另外，在海上作業(yè)時鋪管船與托管架系統(tǒng)一直處于相對運(yùn)動中。運(yùn)動傳遞的過程中船尾結(jié)構(gòu)將和Hitch點(diǎn)發(fā)生周期性的低頻沖擊。定位插槽部分由于在X和Y方向上都先于T型插槽承受載荷，因此在船體和Hitch點(diǎn)頻繁的接觸中的沖擊和疲勞可能是該處結(jié)構(gòu)損傷的另外原因。

3 Hitch點(diǎn)損傷結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度校核

在原托管架設(shè)計(jì)中根據(jù)鋪管控制工況，考慮托管架重力與浮力、風(fēng)浪流環(huán)境載荷與船舶運(yùn)動慣性載荷、鋪管工作載荷對托管架和Hitch點(diǎn)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體與局部有限元分析，結(jié)論為Hitch點(diǎn)T型插槽主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，但沒有多次出現(xiàn)損傷部位的局部結(jié)構(gòu)分析。為找到Hitch點(diǎn)結(jié)構(gòu)頻繁損傷的原因，針對托管架總體和損傷部位的局部強(qiáng)度進(jìn)行重新的計(jì)算校核。

3.1 計(jì)算模型的建立

為計(jì)算分析托管架在鋪管作業(yè)中的載荷，從而為進(jìn)行Hitch點(diǎn)的整體和受損的局部結(jié)構(gòu)分析提供載荷輸入，在ABAQUS/Standard中的CAE模塊中建立了托管架系統(tǒng)的三維模型和Hitch點(diǎn)的三維體單元模型。托管架與Hitch點(diǎn)結(jié)構(gòu)中，管材材質(zhì)為API 5L X52，ASTM 572 Grade 50 級、型材的材質(zhì)為API SPEC 2H Grade 50，ASTM 572 Grade 50級。

按照上述結(jié)構(gòu)的形式和材料特性，托管架三維梁單元FE模型由32個節(jié)點(diǎn)和73個單元組成，其中A字架主體的FE模型由31個梁單元組成。在模型中除梁單元外，還使用部分連接單元來表現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)如A字架的鉸接點(diǎn)和法蘭螺栓連接點(diǎn)、兩節(jié)托管架的連接點(diǎn)等。Hitch點(diǎn)與托管架的連接模擬為剛性鉸接單元，可以實(shí)現(xiàn)沿垂直于船體縱軸方向的軸在垂直面內(nèi)轉(zhuǎn)動，Hitch點(diǎn)與船尾連接的T型接頭模擬為三向彈簧連接單元。

托管架起升系統(tǒng)2臺起升絞車額定拉力為44.5 kN，使用IWRC Φ44 mm鋼纜通過3組動滑輪與連托管架相連，鋼纜重8.44 kg/m，對此利用ABAQUS彈簧單元模擬。

圖8 托管架與Hitch點(diǎn)的三維模型圖

3.2 計(jì)算工況與載荷

3.2.1 結(jié)構(gòu)載荷與鋪管載荷

結(jié)構(gòu)載荷為托管架系統(tǒng)的重力和浮力，計(jì)算中考慮增加主結(jié)構(gòu)質(zhì)量的30%，用來替代輔助構(gòu)件的質(zhì)量。

根據(jù)淺水鋪管船鋪管分析計(jì)算報(bào)告，從中篩選出3個托管架支撐反力最大的工況作為計(jì)算分析工況，用以分析相對托管架最不利的載荷狀況。

動載荷采用系數(shù)疊加確定，通常是基于墨西哥灣工程實(shí)踐，垂向動力載荷為靜載荷的150%，側(cè)向動力載荷為常規(guī)鋪管條件下垂向載荷的20%，摩擦系數(shù)0.2。管道鋪設(shè)的動載荷分別施加到托管架的18個支撐滾輪上，各工況下托管架各支撐滾輪的反力如圖9所示。

表2 計(jì)算鋪管工況選擇

圖9 托管架滾輪垂向載荷分布圖

3.2.2 船舶運(yùn)動引起的慣性載荷

在波浪力作用下托管架系統(tǒng)將隨鋪管船運(yùn)動。根據(jù)淺水鋪管船運(yùn)動響應(yīng)數(shù)據(jù)（R.A.O.），篩選出在2.5 m有義波高、平均跨零周期7 s，90°橫浪狀況下為最大響應(yīng)值，施加在托管架上的慣性加速度取為：ax= 0.1g；ay= 0.15g；az= 0.3g，如圖10所示。

圖10 加速度坐標(biāo)方向示意圖

3.2.3 環(huán)境載荷與計(jì)算工況組合

環(huán)境載荷考慮風(fēng)、浪、流的載荷，托管架分析與Hitch點(diǎn)局部強(qiáng)度校核的計(jì)算工況組合如表3。

表3 計(jì)算鋪管工況組合表

3.3 托管架及A字架校核分析結(jié)果

通過計(jì)算得到3種鋪管作業(yè)工況中托管架系統(tǒng)內(nèi)各部分的Mises應(yīng)力和托管架對Hitch點(diǎn)的載荷、Hitch對船尾結(jié)構(gòu)的載荷。篩選后每種工況對應(yīng)的各部分最大位移、Mises應(yīng)力和托管架起升鋼纜的應(yīng)力及托管架作用在Hitch點(diǎn)上的反力顯示如圖11與表4。

表4 3種鋪管工況中托管架和A字架最大Mises應(yīng)力表MPa

圖11 工況2中托管架最大應(yīng)力

3.4 Hitch點(diǎn)損傷部位局部校核

托管架及鋪設(shè)管線所承受的載荷通過托管架Hitch點(diǎn)、起升鋼纜和A字架、托管架斜撐和斜撐Hitch點(diǎn)傳遞到船尾。通過托管架鋪管時的應(yīng)力分析，同時可以得到托管架施加到上述部分結(jié)構(gòu)的反力和通過這些結(jié)構(gòu)傳遞到船體的反力。托管架斜撐承擔(dān)了托管架水平方向的部分載荷，因此沿船體軸向（圖示1軸方向）經(jīng)由Hitch點(diǎn)對船尾T型結(jié)構(gòu)的載荷在N9、N6處的方向不同。垂向載荷主要由A字架鋼絲繩和Hitch點(diǎn)下剛性墊塊承擔(dān)。托管架對Hitch點(diǎn)的載荷狀況見圖12與表5，Hitch點(diǎn)對船尾T型結(jié)構(gòu)的載荷狀況見圖13與下頁表6。

表5 托管架對Hitch點(diǎn)最大載荷數(shù)據(jù)表kN

圖12 托管架對Hitch點(diǎn)載荷情況

圖13 Hitch點(diǎn)對船尾結(jié)構(gòu)載荷情況

表6 Hitch點(diǎn)對船尾最大載荷數(shù)據(jù)表kN

在得到上述數(shù)據(jù)后，具備了對托管架Hitch點(diǎn)強(qiáng)度分析的條件。經(jīng)對比，托管架對Hitch點(diǎn)的反力小于原設(shè)計(jì)中的計(jì)算結(jié)果，由此可以確定Hitch點(diǎn)主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。按照上述計(jì)算Hitch對船尾結(jié)構(gòu)的反力，在Hitch點(diǎn)定位插槽部位有限元模型上分別在X和Y方向上加載進(jìn)行靜載分析，定位插槽部位Mises應(yīng)力為219 MPa，小于材料許用應(yīng)力345 MPa，但出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

通過上述分析，Hitch點(diǎn)定位插槽部位在承受靜態(tài)載荷時仍處于安全狀態(tài)，但在鋪管作業(yè)中該處長期處于低頻交變載荷的作用下可能產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、裂紋和變形的損傷，這與工程實(shí)際中出現(xiàn)的情況比較一致。為了進(jìn)一步分析該處結(jié)構(gòu)在船體動態(tài)交變載荷作用下的應(yīng)力分布與影響，根據(jù)鋪管船運(yùn)動分析的成果，選擇其中橫搖最為惡劣的環(huán)境狀態(tài)利用ABAQUS程序?qū)Υw運(yùn)動和該處承受的動態(tài)低頻周期沖擊載荷進(jìn)行了模擬分析。

圖14 Hitch點(diǎn)定位插槽部位局部校核示意圖

4 Hitch點(diǎn)定位插槽部位的沖擊疲勞分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 沖擊疲勞分析

鋪管船在波浪有復(fù)雜的運(yùn)動狀，但也都具有特定的周期性。托管架Hitch點(diǎn)與船尾結(jié)構(gòu)之間由此也產(chǎn)生周期性接觸，引發(fā)Hitch點(diǎn)受到周期性沖擊載荷。這類載荷周期距離結(jié)構(gòu)的內(nèi)固有周期較遠(yuǎn)，所引發(fā)的疲勞損傷與通常意義的金屬疲勞略有區(qū)別，但是由于沖擊作用的存在，對于結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生與疲勞損傷相似的效果。

材料在小能量多次沖擊下的破壞過程，是裂紋萌生擴(kuò)展直至斷裂的過程，也是為多次沖擊下?lián)p傷累計(jì)的結(jié)果，具有疲勞特點(diǎn)。因此，多次沖擊屬于廣義的疲勞范疇，國外稱它為沖擊疲勞。沖擊疲勞不同于一般的疲勞強(qiáng)度和疲勞過負(fù)荷持久值，它對加載速度、體積效應(yīng)的反映較大。

托管架Hitch點(diǎn)受到交變式的能量載荷，即動態(tài)沖擊疲勞，因此應(yīng)考慮在動態(tài)沖擊疲勞下來考察Hitch點(diǎn)的受損部位。借鑒上海材料研究所對HQ-60鋼的沖擊疲勞研究結(jié)果，若已知材料的沖擊疲勞性能曲線即能量-壽命（A-N）曲線和沖擊疲勞下裂紋擴(kuò)展速率da/dN，以及動態(tài)鍛裂韌性KId，根據(jù)托管架Hitch點(diǎn)與鋪管船尾的運(yùn)動，分析其損傷部位產(chǎn)生的原因，從而為將來的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方向。根據(jù)HQ-60鋼的A-N曲線和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的S-N曲線，可以得到：

式中：N為沖擊次數(shù)或壽命；A為沖擊能量。

式中：N為沖擊次數(shù)或壽命；σ為有效應(yīng)力。

HQ-60鋼的動態(tài)斷裂韌性KId數(shù)值為236.6～243.9 MPa·m，從沖擊疲勞的能量-壽命曲線中找到多次沖擊中沖擊能量A與沖擊載荷P的關(guān)系，計(jì)算沖擊疲勞條件下試樣承受的沖擊應(yīng)力，利用曲線進(jìn)入極限后的能量值，可計(jì)算相應(yīng)于此極限能量的應(yīng)力-極限應(yīng)力，將此應(yīng)力作用于結(jié)構(gòu)上，反算出結(jié)構(gòu)沖擊疲勞能量的極限值，根據(jù)結(jié)構(gòu)所受到的實(shí)際沖擊能量，判斷結(jié)構(gòu)的安全性。

從斷裂力學(xué)的柔度分析中也可以得到?jīng)_擊載荷P和沖擊能量A的關(guān)系，多次沖擊的特點(diǎn)是沖擊物以恒定的沖擊能量A沖擊試樣，假設(shè)沖擊能量完全轉(zhuǎn)化為試樣的彈性應(yīng)變能，這時

同時，通過HQ-60鋼裂紋擴(kuò)展速率da/ dN的試驗(yàn)成果：

式中：B、W、S分別為試樣的厚度、寬度、試樣的跨度；a/W為無量綱裂紋長度。

根據(jù)式（4），可以通過試驗(yàn)判斷構(gòu)件裂紋的擴(kuò)展速率和評估構(gòu)件的使用壽命。

借鑒以上動態(tài)多次沖擊疲勞性能對沖擊能量與載荷關(guān)系的研究成果，就托管架點(diǎn)Hitch點(diǎn)與船尾的運(yùn)動情況，應(yīng)用ABAQUS程序中體單元C3D8R對托管架Hitch點(diǎn)插槽和船尾插塊部分建模，應(yīng)用ABAQUS顯示分析算法模擬分析船尾插塊與托管架Hitch點(diǎn)插槽的沖擊過程，考察該部位沖擊應(yīng)力和能量的分布。在分析中對輸入條件進(jìn)行如下簡化：

（1）沖擊作用的方式

作業(yè)工況只考慮船舶由于橫搖引起的船尾運(yùn)動對Hitch點(diǎn)的沖擊載荷，不考慮其他方向運(yùn)動的影響。選擇環(huán)境條件為7 s跨零周期、有義波高2.5 m、90°浪向，此時淺水鋪管船單幅橫搖運(yùn)動幅度約3.89°，運(yùn)動周期9.75 s，考慮勻速運(yùn)動速度0.07 m/s。

（2）沖擊能量

托管架橫撐連接了托管架與船體，不考慮托管架及Hitch點(diǎn)在受到?jīng)_擊載荷時相對船體的相對運(yùn)動。計(jì)算模型將Hitch點(diǎn)定位插槽部位邊界模擬為兩側(cè)的T型插槽并進(jìn)行約束，船尾定位插塊部分模擬為內(nèi)部完全約束的彈性剛體，沖擊質(zhì)量考慮為Hitch點(diǎn)的質(zhì)量與托管架作用在Hitch點(diǎn)上的橫向載荷之和。沖擊過程簡化為Hitch點(diǎn)定位插槽于船尾定位插塊之間的完全面接觸，沖擊過程中沖擊能完全轉(zhuǎn)化為H點(diǎn)插槽的彈性應(yīng)變能，即：

（3）沖擊載荷施加的周期

船尾定位插塊按照船舶橫搖周期與Hitch點(diǎn)發(fā)生周期性的接觸，在每次沖擊過程完成后兩者的接觸簡化為靜載荷的傳遞?？紤]計(jì)算的簡化和有限元分析的收斂性，按照圖15所示的輸入確定兩者相對運(yùn)動速度。

圖15 Hitch點(diǎn)定位插槽沖擊加載V-t曲線

分析結(jié)果表明，在船尾與Hitch點(diǎn)定位插槽沖擊瞬間，定位插槽部位的Mises應(yīng)力峰值已經(jīng)非常接近材料的屈服應(yīng)力，沖擊載荷下Hitch點(diǎn)插槽的應(yīng)力分布狀態(tài)與實(shí)際的損傷狀態(tài)十分接近，因此可以認(rèn)定托管架Hitch點(diǎn)插槽的損傷系沖擊疲勞導(dǎo)致。

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文嘗試對Hitch點(diǎn)定位插槽部位結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行修改，考慮增加結(jié)構(gòu)柔度和減小應(yīng)力集中區(qū)域，將原結(jié)構(gòu)修改為雙層板夾心結(jié)構(gòu)形式，在受到?jīng)_擊載荷時內(nèi)外層分別承受拉力和壓力，改善受力形式，并按照上述的載荷狀況進(jìn)行有限元分析。分析表明，在相同沖擊能量下，修改后的結(jié)構(gòu)沖擊載荷應(yīng)力值有了明顯降低，具體見圖18和下頁圖19。

圖16 沖擊瞬間定位插槽部位應(yīng)力分布與熱點(diǎn)歷程曲線

圖17 沖擊過程中系統(tǒng)應(yīng)變能和內(nèi)能變化曲線

圖18 沖擊瞬間應(yīng)力分布與熱點(diǎn)歷程曲線

但要確定Hitch點(diǎn)定位插槽部分所能承受的極限沖擊載荷值，還需要通過進(jìn)一步試驗(yàn)確定用于Hitch點(diǎn)所用鋼材的能量-壽命曲線。另外由于本文只簡化考慮一種鋪管作業(yè)狀態(tài)和環(huán)境載荷下的情況，還需通過對鋪管作業(yè)過程中船體與托管架實(shí)際運(yùn)動情況進(jìn)一步分析和現(xiàn)場測量，以提供更為直觀的數(shù)據(jù)與理論計(jì)算進(jìn)行對照［12］。

圖19 沖擊過程中系統(tǒng)應(yīng)變能和內(nèi)能變化曲線

5 結(jié) 論

本文通過對淺水鋪管船托管架Hitch點(diǎn)在實(shí)際工程項(xiàng)目使用中出現(xiàn)的損傷分析，得到以下結(jié)論：

（1）首次對該船托管架Hitch點(diǎn)在工程使用中多次出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行較為系統(tǒng)的分析，對于今后該船Hitch點(diǎn)的改造維修具有一定的指導(dǎo)意義。

（2）應(yīng)用ABAQUS有限元計(jì)算軟件對該船托管架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，嘗試使用彈簧連接單元模擬托管架起升系統(tǒng)，從而得到更為準(zhǔn)確地托管架對Hitch點(diǎn)和船尾結(jié)構(gòu)的載荷，可以為該類固定式托管架的計(jì)算提供借鑒。

（3）利用ABAQUS的顯示分析技術(shù)對托管架Hitch點(diǎn)局部損傷部位進(jìn)行動態(tài)沖擊疲勞分析，結(jié)果表明理論預(yù)測與該結(jié)構(gòu)實(shí)際的損傷狀況是一致的，可以為今后鋪管船托管架連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒。

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