孫玉柱　姜廣都（海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津　300461）

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關(guān)于大型結(jié)構(gòu)物拖拉裝船的優(yōu)化分析

孫玉柱姜廣都
（海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津300461）

摘要：應(yīng)用SACS軟件構(gòu)建結(jié)構(gòu)物的有限元模型，根據(jù)API［1］規(guī)范對結(jié)構(gòu)物進(jìn)行靜態(tài)分析，得出組塊滑移裝船時(shí)各樁腿的支反力，采用ANSYS軟件對兩種滑移裝船方式進(jìn)行校核，通過計(jì)算對比，選出適合的裝船方式，并針對實(shí)際項(xiàng)目中較大型結(jié)構(gòu)物的滑移裝船駁船強(qiáng)度問題，提出了合理的建議，為降低結(jié)構(gòu)物裝船時(shí)應(yīng)力提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：船體強(qiáng)度，拖拉方式，應(yīng)力，結(jié)構(gòu)物

0　引言

SACS軟件是美國Bentley公司的產(chǎn)品，是基于有限元技術(shù)的仿真平臺(tái)，是為海洋平臺(tái)和土木工程提供結(jié)構(gòu)分析的一套軟件，尤其在海洋動(dòng)力分析方面有自己獨(dú)到的優(yōu)勢?，F(xiàn)在，SACS包括了廣泛的有關(guān)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析模塊，功能強(qiáng)大。本文中主要運(yùn)用該軟件來模擬校核結(jié)構(gòu)物的自身強(qiáng)度以及計(jì)算組塊各主腿支反力。

ANSYS軟件是大型通用商業(yè)化的工程分析軟件，能夠模擬研究物受到外力荷載所產(chǎn)生的響應(yīng)，如應(yīng)力、位移、溫度等。根據(jù)這些響應(yīng)可以知道研究物受到外力荷載后的狀態(tài)，進(jìn)而判定是否符合安全設(shè)計(jì)要求。

本文主要根據(jù)SACS軟件計(jì)算得出的組塊各主腿支反力，運(yùn)用ANSYS軟件來模擬駁船的受力形式，根據(jù)船體的約束條件等因素來計(jì)算船體的局部應(yīng)力，校核船體強(qiáng)度，通過分析計(jì)算來改進(jìn)工作方法。

1　船體強(qiáng)度的概述及規(guī)范要求

1.1船體強(qiáng)度概述

船體強(qiáng)度，按船體結(jié)構(gòu)的受力狀況，分為總縱強(qiáng)度、局部強(qiáng)度、橫向強(qiáng)度等。總縱強(qiáng)度對應(yīng)的外力是總縱彎曲力，橫向強(qiáng)度對應(yīng)的外力是橫向力，局部強(qiáng)度對應(yīng)的外力是局部力。在研究船體強(qiáng)度時(shí)是把一艘船舶看作一個(gè)空心的箱形梁來進(jìn)行研究的。本文的分析主要是根據(jù)組塊的主腿支反力作用下的船體局部強(qiáng)度校核。應(yīng)用ANSYS軟件來計(jì)算船體局部強(qiáng)度時(shí)采用1/2 +1 + 1/2的三維艙段有限元模型計(jì)算分析船體的應(yīng)力分布（如圖1所示）。

本文的駁船局部強(qiáng)度校核主要分為以下幾個(gè)步驟：創(chuàng)建模型、模型網(wǎng)格劃分、施加載荷、約束條件的施加、后處理等。

1.2計(jì)算中運(yùn)用的規(guī)范資料

ANSYS的前處理模塊主要有兩部分：創(chuàng)建模型和網(wǎng)格劃分。

進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶從最低級(jí)的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線、面、體。對于有限元分析來說，網(wǎng)格劃分是其中最關(guān)鍵的一個(gè)步驟，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到解算的精度和速度。模型建立以及網(wǎng)格劃分可以參見《雙舷側(cè)散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南》（2004）［2］。

在后處理階段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析可以參照中國船級(jí)社的鋼制海船入級(jí)規(guī)范［3，4］。

針對船體所受的荷載形式，一般采用以下的約束條件：

端面約束：一端獨(dú)立點(diǎn)約束δx，δy，δz，θx，θz，另一端獨(dú)立點(diǎn)約束δy，δz，θx，θz（見圖2）。

圖1　三維有限元模型

圖2　端面約束

如果船體所受的荷載為左右對稱的形式，并且船體結(jié)構(gòu)也是左右對稱，則δy=θx=θz=0。

2　計(jì)算實(shí)例

下面采用海洋石油225船拖拉裝船Zawtika WP5組塊的例子來校核結(jié)構(gòu)物拖拉裝船時(shí)的局部強(qiáng)度，我們分兩種拖拉形式：尾拖和側(cè)拖，拖拉方向見圖3。

圖3　拖拉方向圖

尾拖，顧名思義，就是把組塊從船體的尾部縱向拖拉上船的一種拖拉方式；側(cè)拖則是從船體一側(cè)橫向拖拉上船的拖拉裝船方式。這兩種方式分別進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果見表1。

表1　計(jì)算結(jié)果表

為了能滿足船舶強(qiáng)度需要，我們將主腿支反力較大的節(jié)點(diǎn)放置到船體強(qiáng)結(jié)構(gòu)上，船體局部強(qiáng)度校核結(jié)果如表2，表3，圖4～圖9所示。

表2　組塊尾拖駁船局部應(yīng)力

表3　組塊側(cè)拖駁船局部應(yīng)力

圖4　船舶尾部模型圖（船尾結(jié)構(gòu)左右對稱）

圖5　節(jié)點(diǎn)0032下的船體應(yīng)力分布（右舷）

圖6　節(jié)點(diǎn)0033下的船體應(yīng)力分布（左舷）

圖7　船舶中部模型圖（船中結(jié)構(gòu)左右對稱）

圖8　節(jié)點(diǎn)0032下的船體應(yīng)力分布

圖9　節(jié)點(diǎn)0033下的船體應(yīng)力分布

由于組塊跨距的局限性，組塊的各主腿支點(diǎn)不能同時(shí)作用到船體強(qiáng)結(jié)構(gòu)件之上，為了盡量滿足船體的強(qiáng)度需要，我們把較大的支反力放置到強(qiáng)結(jié)構(gòu)之上。但是通過計(jì)算可以得出，組塊通過尾拖的方式滑移上船，船體尾部的結(jié)構(gòu)不能滿足強(qiáng)度需要；通過側(cè)拖方式的滑移裝船，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以滿足要求。

通過對比，可以得出如下結(jié)論：

較大結(jié)構(gòu)物在拖拉裝船時(shí)，當(dāng)船體尾部的結(jié)構(gòu)較弱（如大多數(shù)的自行型駁船），可以考慮側(cè)拖這種滑移裝船方式，因?yàn)榇w中部的結(jié)構(gòu)相對較強(qiáng)，可選的滑移路徑較多。本項(xiàng)目最終所使用的就是側(cè)向滑移裝船法。

3　結(jié)論及建議

當(dāng)船舶裝船時(shí)，船體強(qiáng)度不能達(dá)到要求，但是由于項(xiàng)目工期以及船舶成本等方面的考慮，不能更換船舶，一般采取以下幾種解決方案：

1）如本文所述，考慮通過不同的裝船方式來校核船體強(qiáng)度，選擇一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方式來滿足項(xiàng)目需求；

2）駁船船體加強(qiáng)，針對局部強(qiáng)度不滿足要求的問題，可以在船體局部進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)；

3）如果滿足潮汐等裝船條件，可以通過鋪設(shè)滑道來達(dá)到降低船體局部應(yīng)力的目的。

綜上為本文所做的研究論證，具體施工過程中，我們應(yīng)該從各個(gè)方面來優(yōu)化我們的設(shè)計(jì)工作。如我們應(yīng)該盡可能的將結(jié)構(gòu)物的主腿承重點(diǎn)放置到船體的強(qiáng)結(jié)構(gòu)上。由于結(jié)構(gòu)物的跨距等原因，結(jié)構(gòu)物的承重腿大部分不能同時(shí)放置到強(qiáng)結(jié)構(gòu)上時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先考慮將較大的承重腿放置其上，這樣也可以部分降低船體局部的應(yīng)力，來達(dá)到滿足施工的需求。

參考文獻(xiàn)：

［1］API Recommended Practice 2A-WSD（RP 2A-WSD）.twentyfirst edition.December 2000.

［2］雙舷側(cè)散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南［Z］.

［3］雙殼油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范［S］.

［4］散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范［S］.

Optimization analysis of large module loadout onto barge

Sun Yuzhu Jiang Guangdu
（Installation Company，Offshore Oil Engineering Co.，Ltd，Tianjin 300461，China）

Abstract：SACS software was applied to build the finite element model of the structure，static analysis of structures in accordance with the API［1］specification，calculating the reaction force of each leg when the module is loadout process.By two loadout form：checked respectively by ANSYS software，using the calculation were compared and choose suitable form.In the actual project，the paper puts forward reasonable suggestions on the strength when the large structure loadouts on ship，in order to provide the basis for reducing the stress of the structure.

Key words：hull strength，drag-and-drop，stress，structure

中圖分類號(hào)：U661.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）06-0049-02

收稿日期：2015-12-17

作者簡介：孫玉柱（1979-），男，工程師；姜廣都（1981-），男，工程師