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(惠生海洋工程有限公司，上海 201210)

利用SPMT進(jìn)行模塊裝船的穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)分析

李學(xué)華，李翠東

(惠生海洋工程有限公司，上海 201210)

以典型模塊通過(guò)自行式模塊運(yùn)輸車(SPMT)裝船過(guò)程為研究對(duì)象，通過(guò)將液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)化為3點(diǎn)等效支撐，計(jì)算SPMT在模塊發(fā)生重心偏移前后的穩(wěn)定性，考慮模塊及SPMT實(shí)際剛度并利用SACS軟件將墊墩模擬為僅可承受軸向壓縮的GAP單元，計(jì)算SPMT及模塊的整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)。結(jié)果表明，模塊重心變化對(duì)SPMT穩(wěn)定性影響顯著，利用SACS軟件可以模擬模塊裝船過(guò)程的整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)，裝船過(guò)程中的模塊和SPMT變形對(duì)結(jié)構(gòu)完整性有重要影響。

自行式模塊運(yùn)輸車；模塊；裝船；穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)響應(yīng)

自行式模塊運(yùn)輸車(self-propelled modular transporter，SPMT)憑借其組合靈活性、運(yùn)輸便捷性，在模塊由制造場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)至運(yùn)輸船的裝船過(guò)程中得到了越來(lái)越廣泛的運(yùn)用[1]。模塊EPC承包商對(duì)于利用SPMT進(jìn)行模塊裝船作業(yè)多采用分包的方式，由專業(yè)分包商提供解決方案，承包商只根據(jù)分包商要求作好輔助工作。分包產(chǎn)生新的工作界面無(wú)疑會(huì)增加協(xié)調(diào)工作，分包商參與靠后也會(huì)限制設(shè)計(jì)的靈活性，減少企業(yè)的話語(yǔ)權(quán)。獨(dú)立完成利用SPMT進(jìn)行模塊裝船分析對(duì)于提高企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力具有重要意義。

目前所見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)多是對(duì)運(yùn)用SPMT進(jìn)行大件運(yùn)輸?shù)墓し枋鯷2-3]，配載計(jì)算[4]和忽略貨物剛度時(shí)SPMT自身裝載能力的分析[5-6]，未見(jiàn)利用SPMT進(jìn)行模塊裝船的穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)分析報(bào)道。為此，選取典型模塊，探討模塊重心變化對(duì)SPMT穩(wěn)定性的影響，考慮模塊及SPMT實(shí)際剛度并利用SACS軟件模擬計(jì)算裝船過(guò)程中的整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

1 SPMT應(yīng)用思路

所述SPMT 運(yùn)輸系統(tǒng)包括6軸線模塊平臺(tái)車與動(dòng)力單元2大部分。平臺(tái)車主梁截面為梯形，橫向分布懸掛安裝橫梁和邊縱梁。平臺(tái)車配備液壓管路和快速接頭，以便與其他平臺(tái)車進(jìn)行拼接。平臺(tái)車中每個(gè)軸線由2個(gè)擺式輪軸組成，每個(gè)擺式輪軸都有獨(dú)立的液壓懸掛。通過(guò)控制液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)車起升、下降(1 500±300 mm)，完成運(yùn)動(dòng)至貨物下方并裝載貨物，或者卸載貨物并從貨物下方撤出等動(dòng)作。

平臺(tái)車懸掛上的支撐液壓缸由管路和軟管相互連接并使用閥門對(duì)液壓缸進(jìn)行液壓分組，每組為一個(gè)獨(dú)立回路[7]。通過(guò)控制每個(gè)軸線液壓回路之間的閥門，可以確保在多臺(tái)平臺(tái)車拼接的情況下，也可以靈活地對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分組。即使在不平坦道路上行駛，也可以利用回路中壓力平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)每個(gè)輪軸的液壓缸高度來(lái)適應(yīng)地面，保持均勻的軸線載荷。

在更換輪胎或者單軸損壞的情況下，通過(guò)手動(dòng)操作閥門來(lái)鎖死或?qū)屋S從整個(gè)液壓系統(tǒng)中分離出來(lái)。液壓支撐和升降系統(tǒng)具有單回路安全系統(tǒng)，以確保在某個(gè)升降管路破損的情況下，整個(gè)平臺(tái)車不會(huì)發(fā)生傾斜。

2 穩(wěn)定性分析

整體布置主要考慮SPMT的穩(wěn)定性，包括防側(cè)翻和防過(guò)載2個(gè)方面[8]。選取典型模塊為鋼質(zhì)桁架結(jié)構(gòu)，重約1 800 t，為設(shè)備、管系、平臺(tái)和梯道提供支撐，SPMT單個(gè)軸線有效載荷30 t/自重4 t/軸距1.4 m。計(jì)劃使用4列×30共120軸線運(yùn)輸，并將液壓系統(tǒng)分為3個(gè)分組，布置見(jiàn)圖1。

由于模塊重量信息并非最后準(zhǔn)確結(jié)果，考慮設(shè)計(jì)余量和SPMT設(shè)計(jì)允許最大爬坡角度，得到模塊重心位置包絡(luò)線如圖1中A-B-C-D-A所示。

圖1 模塊重心包絡(luò)線和SPMT布置示意

由于每個(gè)液壓分組中各軸線載荷相同，故將不同液壓分組的支撐等同于形心位置處的單點(diǎn)支撐。當(dāng)模塊重心位置豎向投影越過(guò)3個(gè)液壓分組等效單點(diǎn)支撐圍成的三角形區(qū)域時(shí)，則發(fā)生傾覆。當(dāng)模塊重心位置豎向投影處在3個(gè)液壓分組等效單點(diǎn)支撐圍成的三角形區(qū)域內(nèi)時(shí)，則不會(huì)發(fā)生傾覆，此時(shí)只需要考慮由于重心偏移導(dǎo)致軸線載荷是否過(guò)載的問(wèn)題。假設(shè)不同液壓分組等效支撐力分別Ri，則有

(1)

對(duì)應(yīng)不同重心位置的單個(gè)軸線載荷計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 SPMT單個(gè)軸線載荷 kN

由表1可見(jiàn)，雖然不同重心處軸線載荷的最大利用率都不超過(guò)1，即不發(fā)生過(guò)載，但重心偏移后的最大軸線載荷相比無(wú)偏移時(shí)增加顯著。

3 結(jié)構(gòu)分析

文獻(xiàn)[5-6]中對(duì)于SPMT運(yùn)輸貨物的分析是忽略貨物剛度，并根據(jù)支架數(shù)量將貨物重量平均分配至支架位置處進(jìn)行SPMT裝載校核。這種簡(jiǎn)化方法適用于利用SPMT運(yùn)輸貨物的基本設(shè)計(jì)階段SPMT布置方案評(píng)估，但并不適用于模塊裝船詳細(xì)設(shè)計(jì)中對(duì)模塊結(jié)構(gòu)完整性的校核，也沒(méi)有考慮貨物和SPMT變形對(duì)力傳遞的影響。

考慮模塊和SPMT實(shí)際剛度時(shí)的整體結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖2。

圖2 SPMT運(yùn)輸模塊3D模型

利用SACS軟件模擬模塊主要結(jié)構(gòu)和SPMT主梁結(jié)構(gòu)，設(shè)備、管系、平臺(tái)梯道，以及次要結(jié)構(gòu)的重量通過(guò)點(diǎn)、線和面質(zhì)量施加，以保證模型中模塊重心位置和重量報(bào)告中估算重心位置一致。重心偏移則通過(guò)力的平移原理施加力偶模擬。

在實(shí)際工程中，墊墩坐落于SPMT主梁上并支撐模塊運(yùn)輸橫梁。在計(jì)算結(jié)構(gòu)模型中，墊墩由只能承受軸向壓力的GAP單元模擬。模塊自重由SACS軟件自動(dòng)生成，SPMT自重和地面支撐通過(guò)均勻線載荷施加于SPMT主梁上。為避免剛度矩陣奇異，在模塊頂部邊緣施加2個(gè)水平方向的彈簧，在模塊重心于各列SPMT投影處施加3個(gè)水平方向彈簧作為位移邊界條件。

當(dāng)重心偏移至不同位置時(shí)，計(jì)算得到的SPMT剪力彎矩圖見(jiàn)圖3(限于篇幅，僅列出重心無(wú)偏移和重心偏移至D處第2列SPMT結(jié)果)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5-6]中簡(jiǎn)化方法計(jì)算得到的SPMT剪力彎矩見(jiàn)圖4。

圖3 整體模擬所得剪力和彎矩

圖4 簡(jiǎn)化假設(shè)所得剪力和彎矩

當(dāng)重心偏移至不同位置時(shí)，2種計(jì)算模型中第2列SPMT主梁中的最大彎矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 2種計(jì)算模型第2列中最大彎矩結(jié)果對(duì)比

造成2者之間較大差別的原因在于考慮模塊結(jié)構(gòu)和SPMT實(shí)際剛度及變形時(shí)，不同列SPMT和同列SPMT不同墊墩處分配到的模塊重量并非均勻分布。模塊沿SPMT方向前后2端由于結(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度變小，整體發(fā)生2端上翹變形呈碗狀，分配到不同墊墩上的力呈現(xiàn)中間大2頭小的趨勢(shì)。

當(dāng)重心偏移至不同位置時(shí)，校核結(jié)果顯示應(yīng)力較大(UC>0.88)構(gòu)件位置如圖5中粗線所示。

圖5 模塊構(gòu)件校核結(jié)果

由圖5可見(jiàn)，應(yīng)力較大構(gòu)件主要位于運(yùn)輸橫梁剖面的立柱位置和模塊最低層平面，造成這種情形的原因在于模塊重量主要通過(guò)立柱傳遞至最低層平面中的運(yùn)輸橫梁，而SPMT在不同跨立柱之間的運(yùn)輸橫梁下方居中布置并通過(guò)墊墩支撐運(yùn)輸橫梁。當(dāng)SPMT升起后運(yùn)輸橫梁呈懸臂狀態(tài)，導(dǎo)致立柱下垂并在與運(yùn)輸橫梁相交處產(chǎn)生較大彎矩。

4 結(jié)論

1)穩(wěn)定性校核時(shí)，應(yīng)充分考慮模塊后續(xù)設(shè)計(jì)修改及路況不平時(shí)引起的重心偏移，保證重心包絡(luò)線處在不同液壓分組確定的穩(wěn)定性區(qū)域內(nèi)，并防止由于重心偏移導(dǎo)致局部軸線載荷過(guò)載。

2)通過(guò)SACS軟件可以實(shí)現(xiàn)利用SPMT進(jìn)行模塊裝船過(guò)程的分析，其中墊墩模擬為只承受軸向壓力的GAP單元，各列SPMT可模擬為連續(xù)梁并承受不同液壓分組區(qū)域內(nèi)的液壓缸均布載荷支撐。在重心位置附近施加彈簧約束以減輕邊界條件影響并避免剛度矩陣奇異。

3)模塊和SPMT主梁剛度及變形對(duì)力傳遞具有重要影響，為校核模塊運(yùn)輸過(guò)程中的結(jié)構(gòu)完整性，必須對(duì)SPMT和模塊做整體分析，以準(zhǔn)確模擬力傳遞變化對(duì)結(jié)果的影響。

4)為避免所述立柱失效，可以考慮留足操作空間后將SPMT靠近立柱平面布置，降低立柱下垂誘發(fā)的彎矩。

5)雖然SPMT運(yùn)輸過(guò)程中速度平穩(wěn)，可以作為靜力狀態(tài)考慮，但由于模塊重量大，如何考慮運(yùn)輸過(guò)程中起動(dòng)及剎車時(shí)的慣性力,需要進(jìn)一步分析。

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Stability and Structure Analysis of Module Load-out Process with SPMT

LIXue-hua,LICui-dong

(Wison Offshore & Marine Company, Shanghai 201210, China)

The typical module load-out process with SPMT (self-propelled modular transporter) was researched. Through simplifying hydraulic jack-up system as equivalent tri-point support, the SPMT’s stability was calculated with and without module center of gravity offset. With actual stiffness of module and SPMT considered and cushion blocks simulated as only-compression GAP elements in SACS package, the global structure response including SPMT and module was calculated. The results showed that effects of module center of gravity shift on SPMT’s stability are prominent, SACS package is capable of simulating the global structure response in module load-out process, deflection of module and SPMT presents significant effects on structure integrity during load-out.

SPMT; module; load-out; stability; structure response

U674.38;U661.4

A

1671-7953(2017)05-0001-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.002

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.001

2016-11-15

修回日期：2016-11-28

李學(xué)華(1987—)，男，碩士，工程師

研究方向：平臺(tái)上部組塊和工廠模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)