金 晶， 韓傳杰

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司， 上海 200125)

0 引 言

1 平臺(tái)概述

1 000 t自升式起重平臺(tái)船體呈長方形，縱骨架式，帶有4個(gè)圓形筒式(圓柱形)樁腿，樁腿上開有銷孔，每個(gè)樁腿下端帶有獨(dú)立樁靴，抬升驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)。采用繞樁式起重機(jī)，主吊機(jī)布置于右舷船首1號(hào)樁井處，副起重機(jī)位于右舷船尾樁井處，是主要用于海上風(fēng)電設(shè)備的安裝或其他水上以及岸邊各種大型設(shè)備吊裝任務(wù)的海洋工程裝備。

2 站立狀態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

2.1 有限元模型

應(yīng)用MSC.Patran/Nastran軟件對(duì)全船站立工況進(jìn)行有限元計(jì)算分析，吊機(jī)、上建以及設(shè)備等采用質(zhì)量點(diǎn)進(jìn)行模擬。模型中甲板、艙壁和桁材腹板采用板單元模擬。樁腿、加強(qiáng)筋和桁材面板采用梁單元模擬。彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85 t/m3，有限元模型如圖1所示。

圖1 邊界條件及整體有限元模型

2.2 邊界條件

整個(gè)計(jì)算模型的邊界條件如圖1所示，對(duì)樁腿下端端部約束x,y,z3個(gè)方向的平動(dòng)自由度。由于同一樁腿中不同油缸之間采用同一油路，因此每個(gè)油缸支反力近似相同。模型中采用MPC連接和相對(duì)較弱的彈簧來模擬液壓抬升和主船體之間的相互作用(見圖2)，以模擬實(shí)際油缸與樁腿之間的反力情況。采用MPC連接模擬船體上下導(dǎo)向和船體的接觸。

圖2 液壓油缸和主船體連接模擬模型

2.3 計(jì)算工況

由于平臺(tái)左右舷以及前后樁井區(qū)域結(jié)構(gòu)類似，主吊機(jī)工作引起的載荷非常大，而平臺(tái)對(duì)地的最大壓力一般出現(xiàn)在預(yù)壓載狀態(tài)[4]，因此選取主吊機(jī)工作工況和預(yù)壓載工況進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析。

2.3.1 主吊機(jī)工作工況

對(duì)于主吊機(jī)工作工況結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算主要考慮以下載荷：(1)結(jié)構(gòu)自重，包括貨載、壓載水、油水；(2)吊機(jī)載荷；(3)環(huán)境載荷，包括風(fēng)載荷、波浪和流載荷以及波浪載荷動(dòng)力效應(yīng)引起的慣性載荷，另外還要考慮主船體產(chǎn)生橫向偏移后，由其自身重力引起的二次力矩P-Δ載荷。結(jié)構(gòu)自重和水平慣性載荷采用慣性加速度加載，風(fēng)載荷以及貨載采用均布載荷加載在主甲板上，吊機(jī)載荷采用MPC加載在吊機(jī)基座處，P-Δ載荷采用樁靴底部的彎矩進(jìn)行施加計(jì)算。

由于該平臺(tái)吊臂可全回轉(zhuǎn)，站立工作工況分別須考慮不同的環(huán)境載荷和吊機(jī)的角度組合，因起重機(jī)均在右舷，保守考慮，從船尾指向船首為0°方向，環(huán)境載荷方向(0°～180°)和吊機(jī)載荷方向(0°～180°)間隔30°，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

2.3.2 預(yù)壓載工況

預(yù)壓載工況主要考慮結(jié)構(gòu)自重，包括貨載、壓載水、油水；采用對(duì)角壓載的工作方式，即將4個(gè)樁靴按照對(duì)角連線的2個(gè)樁靴分為2組，通過操作樁腿的液壓抬升系統(tǒng)，減小其中1組的壓載力從而實(shí)現(xiàn)另外1組的壓載。該壓載方式可以充分利用結(jié)構(gòu)自重，不用向壓載艙注入太多壓載水，從而提升壓載的效率。

1.5統(tǒng)計(jì)學(xué)研究方法 全部數(shù)據(jù)都采用SPSS20.0版統(tǒng)計(jì)軟件予以處理,用χ2檢驗(yàn)計(jì)數(shù)資料和t檢驗(yàn)計(jì)量資料,(±s)代表計(jì)量數(shù)據(jù);(n/%)代表計(jì)數(shù)資料;當(dāng)中,P<0.05表示對(duì)比差異較大,具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

由于吊機(jī)載荷對(duì)不同樁腿的影響不一致，導(dǎo)致4個(gè)樁腿在工作時(shí)達(dá)到的最大預(yù)壓載荷也不同，因此采用2步壓載的方案進(jìn)行壓載。(1)當(dāng)平臺(tái)就位后先對(duì)2和4樁腿(樁腿編號(hào)見圖1)進(jìn)行對(duì)角壓載，然后對(duì)1和3樁腿進(jìn)行對(duì)角壓載，此時(shí)除1號(hào)樁腿外，其他3條樁腿均已達(dá)到預(yù)壓目標(biāo)值。(2)向1號(hào)樁腿附近壓載艙打壓載水，對(duì)1號(hào)樁腿進(jìn)行第2步壓載，使其達(dá)到目標(biāo)值。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 主吊機(jī)工作工況計(jì)算結(jié)果

主吊機(jī)工作工況應(yīng)力結(jié)果如圖3和圖4所示，可以看出對(duì)于主吊機(jī)工作工況主要應(yīng)力集中于吊機(jī)所在的樁井區(qū)域附近。表1為船體部分應(yīng)力分解，可以看出主甲板和底板主要是正應(yīng)力和剪切應(yīng)力，而艙壁主要是剪切應(yīng)力。

圖3 工作工況主甲板和底板最大應(yīng)力云圖

圖4 工作工況艙壁最大應(yīng)力云圖

為進(jìn)一步分析吊機(jī)載荷對(duì)應(yīng)力的影響，將主吊機(jī)工作工況的載荷分為結(jié)構(gòu)自重、吊機(jī)載荷以及環(huán)境載荷，而吊機(jī)載荷可進(jìn)一步分解為水平力、垂直力、彎矩、扭矩等4個(gè)主要分量，分別算出這些分量對(duì)船體不同結(jié)構(gòu)部位應(yīng)力的影響程度。由表2可看出：對(duì)于船中區(qū)域應(yīng)力影響最大的是自重，其次是吊機(jī)彎矩；對(duì)吊機(jī)附近的艙壁和甲板應(yīng)力影響最大的是吊機(jī)彎矩，其次是結(jié)構(gòu)自重和吊機(jī)的垂向載荷；環(huán)境載荷、吊機(jī)水平載荷和扭矩對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響比較小，都在5%以下。因此，可以按照此受力影響特點(diǎn)對(duì)不同的結(jié)構(gòu)部位加強(qiáng)分別進(jìn)行考慮，得到最優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表1 船體各部分應(yīng)力分解 MPa

表2 船體應(yīng)力權(quán)重分析(各載荷分量導(dǎo)致的應(yīng)力占總應(yīng)力的百分比) %

3.2 預(yù)壓載工況計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)2步預(yù)壓載工況的計(jì)算，得到預(yù)壓載工況最大應(yīng)力云圖如圖5和圖6所示，可以看出，預(yù)壓載工況下4個(gè)樁井之間的艙壁、甲板和底板均存在較大的應(yīng)力，這是由于對(duì)角壓載情況下減小其中1對(duì)對(duì)角樁腿對(duì)船體支撐時(shí)會(huì)導(dǎo)致船體形成類似懸臂的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致樁腿之間主船體甲板和艙壁組成的箱型結(jié)構(gòu)承載較大的彎矩和扭矩從而形成較大的應(yīng)力。

圖5 預(yù)壓載主甲板和底板最大應(yīng)力云圖

圖6 預(yù)壓載艙壁最大應(yīng)力云圖

對(duì)甲板和艙壁以及舷側(cè)板分別選取圖中所示的4個(gè)位置進(jìn)行應(yīng)力分量分析，如表3所示，可以看出剪切應(yīng)力占了絕大一部分,這主要是由于對(duì)角壓載時(shí)主船體的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致的。

表3 船體各部分應(yīng)力分解 MPa

為了進(jìn)一步研究預(yù)壓反力的大小對(duì)主船體應(yīng)力的影響，對(duì)不同的預(yù)壓載荷進(jìn)行計(jì)算得到結(jié)果如圖7所示，可以看出隨著預(yù)壓反力的增加，艙壁和甲板上的應(yīng)力均近似線性增加。

圖7 預(yù)壓應(yīng)力和預(yù)壓反力關(guān)系圖

4 結(jié) 論

本文對(duì)1 000 t風(fēng)電安裝平臺(tái)站立狀態(tài)不同工況結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行詳細(xì)的有限元計(jì)算分析，通過計(jì)算得到以下結(jié)論。

(1) 由于采用繞樁式起重機(jī)，導(dǎo)致起重機(jī)工作工況主要應(yīng)力集中于吊機(jī)附近，該樁井區(qū)域應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他3個(gè)樁井，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該對(duì)此樁井單獨(dú)加強(qiáng)，

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并且重點(diǎn)計(jì)算分析。

(2) 主吊機(jī)作業(yè)時(shí)對(duì)主船體應(yīng)力影響最大的為船體重量以及吊機(jī)的彎矩，吊機(jī)垂向載荷次之，而環(huán)境載荷和吊機(jī)扭矩以及水平載荷影響較小。

(3) 主吊機(jī)作業(yè)時(shí)對(duì)樁井區(qū)域應(yīng)力影響最大的為吊機(jī)的彎矩，主船體重量和吊機(jī)垂向載荷次之。

(4) 對(duì)角壓載工況下船體主要載荷集中于壓載的2條樁腿所在的樁井之間，從而導(dǎo)致應(yīng)力較大，并且以剪應(yīng)力為主，且應(yīng)力的大小隨著預(yù)壓反力的增加線性增加。

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