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(海洋石油工程股份有限公司設(shè)計公司 浮式結(jié)構(gòu)設(shè)計部，天津 300451)

隨著我國海洋石油工業(yè)不斷向著“深水進(jìn)軍”，組塊的總體規(guī)模越來越大，最近的南海項目組塊的重量已超過3萬t，創(chuàng)歷次之最。在駁船運輸組塊的過程中，在波浪載荷作用下，駁船的柔度對組塊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會產(chǎn)生很大的影響，這和以往在不需要考慮船體變形因素的條件下對組塊進(jìn)行運輸強(qiáng)度校核具有很大不同。因此，在給定海況下，組塊在用駁船運輸過程中，船體變形的數(shù)據(jù)直接影響組塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核結(jié)果。為此，采用基于頻域分析的設(shè)計波法，對南海某項目的組塊運輸進(jìn)行三維全耦合數(shù)值模擬和計算分析。根據(jù)駁船運動誘導(dǎo)的慣性力，以及重力等求出組塊各構(gòu)件的應(yīng)力，按API規(guī)范進(jìn)行校核組塊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1 海況條件及總體結(jié)構(gòu)模型

1)海況條件采用中國南海某區(qū)域，10年一遇海況。有義波高：Hs=4.9 m；譜峰周期：Tp=12 s。

2)總體結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)圖紙信息，準(zhǔn)確建立組塊、DSF、滑道、SEAFASTENING和駁船結(jié)構(gòu)模型。由于要準(zhǔn)確地模擬出駁船和組塊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致有限元模型的單元數(shù)和節(jié)點數(shù)量十分龐大，而且為了準(zhǔn)確模擬組塊與駁船船體連接節(jié)點自由度，將整個系統(tǒng)分為兩個子模型——組塊(含DSF)和駁船，然后利用超單元組合技術(shù)，將它們組合成整體結(jié)構(gòu)模型[1-2]。見圖1～4。

圖1 組塊結(jié)構(gòu)模型

圖2 駁船結(jié)構(gòu)模型

圖3 整體結(jié)構(gòu)分析模型

圖4 Sea fastening整體模型分布

2 三維水動力計算與設(shè)計波選取

根據(jù)駁船的型線資料，建立三維水動力計算的濕表面模型。根據(jù)駁船的艙室布置圖進(jìn)行三維模型的艙室劃分，并模擬艙室壓載水，進(jìn)行水動力計算。

采用設(shè)計波法進(jìn)行組塊運輸全耦合的強(qiáng)度分析，設(shè)計波參數(shù)由組塊重心處3個線方向最大加速度、3個角方向最大加速度以及駁船中橫剖面3個方向最大彎矩等9個主導(dǎo)載荷確定。計算船體在各主導(dǎo)載荷工況下，載荷響應(yīng)的短期極值，并結(jié)合各載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)確定設(shè)計波參數(shù)，包括浪向、周期、波幅和相位。

選取的設(shè)計波見表1。

表1 設(shè)計波選取結(jié)果

3 波浪載荷的計算與載荷傳遞

在得到設(shè)計波參數(shù)后，即可針對選定的設(shè)計波，采用三維線性頻域水動力理論，進(jìn)行波浪載荷計算。在用設(shè)計波法對組塊運輸時駁船所受波浪載荷進(jìn)行預(yù)報時，需要將駁船濕表面的水動壓力、液艙載荷以及慣性載荷施加到有限元模型上，確保模型的靜力和動力平衡，用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元計算。

4 計算工況組合

駁船受到靜水載荷和波浪載荷的作用，由于SEAFASTENING 是在組塊裝船后才焊接上去的，因此SEAFASTENING 在靜水載荷工況下不起支撐固定作用，只在波浪載荷工況下起支撐作用。為此，需要分靜水工況和波浪工況兩種情況進(jìn)行計算：在靜水載荷工況下分析時要將SEAFASTENINGS 與駁船連接處的節(jié)點單元解耦，這樣SEAFASTENINGS 便不起支撐作用；在波浪載荷工況下分析時，又需要將SEAFASTENING 與駁船連接節(jié)點耦合上，使它們起到支撐固定作用。最后用PREPOST模塊，將這兩個載荷工況的結(jié)果合并起來，得到最終結(jié)果文件[3]。另外，由于RUNNERS 與駁船甲板上的滑道之間只受壓力而不受拉力，這里可通過分析RUNNERS 的受力情況來實現(xiàn)。如果在分析工況下， RUNNERS 所受的力為壓力，那么就不用對它進(jìn)行操作，如果RUNNERS 所受的力為拉力，那么就要將受拉力作用的RUNNERS 與駁船甲板上滑道的接觸節(jié)點解耦，使之受壓不受拉。

5 計算結(jié)果分析

5.1 組塊桿件強(qiáng)度校核結(jié)果

采用SESAM/FRAMEWORK模塊[4]，依據(jù)API RP 2A WSD對組塊(含DSF)桿件結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，計算結(jié)果表明少數(shù)桿件在某些工況下，不滿足強(qiáng)度要求，其中，UC值最大達(dá)到2.3(由于篇幅有限，具體計算結(jié)果暫不列出)。不滿足強(qiáng)度要求的構(gòu)件，見圖5、6中深色構(gòu)件。

圖5 組塊中UC>1的桿件

圖6 DSF中UC>1的桿件

5.2 組塊管節(jié)點沖剪校核結(jié)果

采用SESAM/FRAMEWORK模塊，依據(jù)API RP 2A WSD，對組塊(含DSF)管節(jié)點進(jìn)行沖剪強(qiáng)度校核，計算結(jié)果表明少數(shù)節(jié)點在某些工況下，不滿足強(qiáng)度要求，其中，UC值最大為1.23。不滿足強(qiáng)度要求的節(jié)點，見圖7中深色節(jié)點。

圖7 組塊中UC>1的管節(jié)點

6 結(jié)論

按照以往傳統(tǒng)方法，應(yīng)用SACS軟件，對組塊單獨進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核，沒有考慮駁船結(jié)構(gòu)的彈性影響，尤其對于重量超過3萬t的大型組塊，在組塊拖航運輸過程中，駁船的柔度對組塊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會產(chǎn)生很大的影響，這和以往在不需要考慮船體變形因素的條件下，對組塊進(jìn)行運輸強(qiáng)度校核具有很大不同。因此，需要用新的方法來進(jìn)行運輸分析。

本文采用的全新的組塊與駁船全耦合的分析方法，對大型組塊進(jìn)行拖航強(qiáng)度分析，與傳統(tǒng)的不考慮運輸駁船、單獨對組塊進(jìn)行校核的方法相比，具有3點創(chuàng)新。

1)將組塊和駁船作為一個整體系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬和計算分析，計入了駁船結(jié)構(gòu)的彈性影響，更切合組塊運輸?shù)膶嶋H情況，使分析結(jié)果更真實可信；

2)采用三維勢流理論，精確地計算出了駁船所承受的波浪載荷，精確地模擬了組塊、滑道和駁船的邊界條件和結(jié)構(gòu)特性，使運輸分析的數(shù)值模擬更準(zhǔn)確；

3)組塊與駁船船體連接節(jié)點自由度的準(zhǔn)確模擬，更真實地反映了組塊與駁船之間的相互作用和接觸變形情況，使組塊拖航運輸?shù)倪\動分析和結(jié)構(gòu)計算，準(zhǔn)確度更高、結(jié)果更真實、可靠。

該方法已應(yīng)用于多個項目的組塊/導(dǎo)管架的拖航運輸分析，結(jié)果證明該方法是成功可行的，可應(yīng)用于其他類似項目中，具有一定推廣價值。

[1] DNV.Genie sesam user manual[S],Det norske veritas,2004.

[2] DNV.Presel sesam user manual[S],Det norske veritas,2004.

[3] DNV.Prepost sesam user manual[S],Det norske veritas,2004.

[4] DNV.Framework sesam user manual[S],Det norske veritas,2004.