劉旭 姚漢文

摘 要：模塊在海上運(yùn)輸過(guò)程中，如何利用支墩等將模塊合理的固定在船體上，是模塊海上運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)關(guān)鍵技術(shù)，它關(guān)系到運(yùn)輸過(guò)程中船舶與貨物兩方面的安全。本文簡(jiǎn)要介紹一種模塊海上運(yùn)輸?shù)闹Ф赵O(shè)計(jì)，并以此為基礎(chǔ)探索出一種高效實(shí)用的計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：海運(yùn)模塊；支墩；簡(jiǎn)化計(jì)算

中圖分類號(hào)：U663.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Oil module transportation is a very important part of heavy cargo transportation in the past few years. How to design the grillage which can restrain movement of the loaded structure is the key technique of the module transportation. During the whole design， it is necessary to confirm that the vessel structure， grillage and the module have adequate strength to resist all the critical design load. In this paper， a kind of grillage is demonstrated， and how it will reduce the workload during the strength check is researched.

Key words： Shipping module； Grillage； Simplified calculation

針對(duì)大型結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功能以及安裝裝配流程，通過(guò)對(duì)該大型結(jié)構(gòu)物進(jìn)行有效拆分成若干個(gè)小型可單獨(dú)施工、運(yùn)輸和安裝的模塊，最后抵達(dá)指定地點(diǎn)后再將各個(gè)拆分的模塊進(jìn)行裝配組合成完成的結(jié)構(gòu)物或平臺(tái)，這就是模塊建造技術(shù)[1]。去年剛投產(chǎn)的總投資超300億的Yamal項(xiàng)目和今年開運(yùn)的TCO項(xiàng)目都是采用這一方法建造的。隨著世界分工的深入發(fā)展，每年都有大量類似的模塊從各地工廠通過(guò)海上運(yùn)輸?shù)竭_(dá)世界各地，最終被組裝成一個(gè)個(gè)大型的工廠、平臺(tái)等。

通常，模塊在海上運(yùn)輸?shù)闹芷陂L(zhǎng)、風(fēng)浪大、氣候環(huán)境惡劣多變，所以有必要采取有效的措施防止模塊在運(yùn)輸過(guò)程中的過(guò)度變形、移位甚至損壞。本文簡(jiǎn)要介紹一種模塊支墩的結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)思路，并對(duì)在校核中如何提高相關(guān)計(jì)算的工作效率進(jìn)行討論和分析。

1 模塊支墩形式

通常使用半潛船或者甲板駁將模塊運(yùn)輸?shù)街付ㄐ敦浀攸c(diǎn)。在運(yùn)輸過(guò)程中，由于外力的作用模塊會(huì)隨之產(chǎn)生橫移、垂蕩、翻滾等運(yùn)動(dòng)，因而需要利用相關(guān)的支墩對(duì)模塊進(jìn)行有效綁扎固定，同時(shí)將隨之而產(chǎn)生的高達(dá)數(shù)百噸甚至上千噸的載荷有效合理地傳遞到船體上，以此保證船舶和貨物的安全[2]。顯然，如何有效地將集中載荷盡可能分散作用在模塊和船舶的強(qiáng)結(jié)構(gòu)上是模塊運(yùn)輸所面臨的一個(gè)難題。為此，根據(jù)某模塊特點(diǎn)以及運(yùn)輸船舶的參數(shù)，設(shè)計(jì)了如圖1的支墩[3] [4]。

采用這種形式的支墩，可以讓模塊所產(chǎn)生的載荷有效地傳遞到船體強(qiáng)橫梁或者橫艙壁，避開了強(qiáng)度較弱的板格部分，從而大大提高了船舶所能裝載模塊的重量。

2 支墩的強(qiáng)度校核

船體及支墩示意圖，如圖2所示。一般來(lái)說(shuō)，支墩設(shè)計(jì)需要確保支墩在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)保證船舶結(jié)構(gòu)的安全。支墩強(qiáng)度校核的基本方法如下：

（1）根據(jù)模塊信息調(diào)整初始的船舶裝載狀態(tài)，并確定模塊綁扎點(diǎn)及綁扎數(shù)量；

（2）根據(jù)裝載狀態(tài)，利用水動(dòng)力模型計(jì)算出模塊在各種浪向下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；

（3）根據(jù)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，推導(dǎo)出各種工況下模塊各綁扎節(jié)點(diǎn)的支反力，校核模塊自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

（4）將所得支反力加載到船體及支墩的有限元模型中，進(jìn)而進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3 初步設(shè)計(jì)中的簡(jiǎn)化計(jì)算

一般來(lái)說(shuō)，一艘200 m左右的船舶，全船使用800mm的粗網(wǎng)格進(jìn)行有限元計(jì)算，網(wǎng)格總數(shù)約為20萬(wàn)個(gè)，其完成一次計(jì)算耗時(shí)需20分鐘左右。在全船模型加上支墩，考慮到支墩是局部構(gòu)件，因此需要對(duì)支墩附近的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化和優(yōu)化，從而導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量急劇飆升，極大地增加了計(jì)算時(shí)間，有時(shí)甚至需要耗費(fèi)數(shù)個(gè)小時(shí)完成一次計(jì)算。

為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，在支墩初步設(shè)計(jì)過(guò)程中可以先對(duì)支墩進(jìn)行強(qiáng)度校核，在翼板底部采用固支。在這個(gè)過(guò)程中，船體的強(qiáng)度校核可以通過(guò)提取約束的支反力后與已知的船體許用載荷比較進(jìn)行初步的核算。現(xiàn)在我們將分別利用這種簡(jiǎn)化方法進(jìn)行全船的有限元分析，分別對(duì)某支墩進(jìn)行校核，進(jìn)而分析這種計(jì)算的可靠性。

支墩與全船有限元模型，見圖3、圖4。約束條件，見圖5。

3.1 載荷加載

作用在支墩上的力可以分解成以下三種力：主要由垂蕩引起的垂向力；主要由橫搖引起的橫向力；主要由縱搖引起的縱向力。在本文計(jì)算中，按上述三種力的成因分別考慮下面三種工況（見表1）。

需要指出的是在實(shí)際分析的時(shí)候需根據(jù)實(shí)際工程的情況考慮多種組合工況進(jìn)行分析。但基于有限元的線性疊加原理，本文暫且只考慮以上三種簡(jiǎn)單工況。

3.2 載荷計(jì)算結(jié)果及支反力提取結(jié)果比較

支墩在兩種不同計(jì)算方法下的應(yīng)力分析結(jié)果如表2、圖6、圖7所示。

按圖8所示結(jié)構(gòu)，分別提取支墩翼板與船體相連處的支反力，結(jié)果如表3、表4、表5所示。

從表3、表4、表5三種工況下z向支反力結(jié)果來(lái)看，利用全船分析和簡(jiǎn)化分析的結(jié)果基本相同；從表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見，在工況1的情況下y向支反力的比值相差較大，但考慮到在工況1該方向的支反力較小，在強(qiáng)度校核中可以予以忽略；從表4中x向的支反力相差較大，這可能是因?yàn)閷?duì)翼板底部進(jìn)行固支以后不能合理反映橫向力所產(chǎn)生的扭矩而產(chǎn)生（下轉(zhuǎn)第頁(yè)）（上接第頁(yè)）

的誤差。

從上述的分析結(jié)果可知，利用簡(jiǎn)化分析的方法，水平方向的分力可能與全船整體分析的結(jié)果存在一定的差異，但考慮到在初步校核船體強(qiáng)度的過(guò)程中，我們一般只利用垂向分力與船體許用載荷進(jìn)行對(duì)比來(lái)校核船體是否滿足強(qiáng)度要求，所以利用簡(jiǎn)化分析的方法對(duì)初期支墩與船體的校核具有重要的意義。

4 結(jié)論

通過(guò)比較兩種分析方法的計(jì)算結(jié)果可見，對(duì)支墩底部進(jìn)行簡(jiǎn)單固支所得的分析結(jié)果與全船分析所得的結(jié)果基本吻合，這對(duì)設(shè)計(jì)初期快速校核支墩強(qiáng)度有著重要意義；同時(shí)，其所提取出來(lái)的支反力結(jié)果，雖然與全船分析的結(jié)果有一定的誤差，但可以滿足船體初步強(qiáng)度校核的需要，這樣能夠有效縮短支墩初始設(shè)計(jì)的計(jì)算時(shí)間，并對(duì)隨后的詳細(xì)設(shè)計(jì)有一定的預(yù)判和指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 高杰. 模塊化工廠的建造與安裝[J]. 安裝. Vol8 2011， 18.

[2] 何 敏，于文太，錢建偉，梁學(xué)先. 大型模塊運(yùn)輸固定優(yōu)化分析[J]. 中 國(guó)造船. 2010， 51.

[3] AISC Specification for Structural Steel Buildings[S]， 13th Edition， 2005.

[4] 遲少敏，趙耕賢. FPSO 模塊支墩結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計(jì)原則[J]. 船舶與海洋 工程 . 2014， 4.