吳圻燁

(南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006)

0 引言

隨著海洋工程的發(fā)展，半潛式生活平臺(tái)作為一個(gè)新型的海洋工程裝備應(yīng)運(yùn)而生。圓筒型的設(shè)計(jì)理念，更是有著技術(shù)先進(jìn)、安全穩(wěn)固、作業(yè)可靠等諸多優(yōu)勢(shì)。而吊耳作為船舶建造過(guò)程中重要的運(yùn)輸和起吊構(gòu)件, 直接關(guān)系到整個(gè)吊裝過(guò)程的安全。如果吊裝過(guò)程中, 吊耳因強(qiáng)度不夠造成吊耳撕裂失效, 將對(duì)整個(gè)船廠造成不可估量的財(cái)產(chǎn)損失[1]。所以，在進(jìn)行吊裝作業(yè)之前，對(duì)于吊耳結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核尤為重要。目前，在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中，對(duì)于吊耳的強(qiáng)度校核一般采用理論算法, 但隨著計(jì)算機(jī)以及大規(guī)模計(jì)算技術(shù)的發(fā)展, 數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已涉及到各行各業(yè), 采用有限元方法對(duì)吊耳強(qiáng)度進(jìn)行校核已成為一種高效、準(zhǔn)確且實(shí)用的強(qiáng)度校核方法[2]。

本文主要論述了某圓筒型海洋生活平臺(tái)用于推進(jìn)器吊裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用有限元進(jìn)行強(qiáng)度分析。此海洋生活平臺(tái)入級(jí)DNV船級(jí)社。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)概況

推進(jìn)器吊裝系統(tǒng)的主要作用是起吊推進(jìn)器，組成部分為：電動(dòng)絞車(chē)、結(jié)構(gòu)支架、吊耳及5個(gè)動(dòng)滑輪組成的動(dòng)滑輪組。其中，動(dòng)滑輪組的安全工作載荷為1 000 kN，安裝于結(jié)構(gòu)支架下的2塊耳板中間，經(jīng)由電動(dòng)絞車(chē)的牽拉完成推進(jìn)器的吊裝工作，而吊耳支架作為主要的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行著有效的力傳遞。吊耳懸臂支架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 吊耳懸臂支架結(jié)構(gòu)

1.2 設(shè)計(jì)方案

從圖1可知，吊裝部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用懸臂支架形式，選擇的型材為方鋼管?？紤]到吊耳的工作載荷較大，與支架立柱焊接的甲板在厚度方向會(huì)承受較大的應(yīng)力，所以該處甲板應(yīng)使用Z向板。

1.3 型材規(guī)格選擇

由于懸臂結(jié)構(gòu)主要承受較大的拉力，因而應(yīng)選用較大的型材規(guī)格。本例中立柱及斜撐均選擇方鋼管RHS 400 mm×300 mm×15 mm，主要受力的橫向結(jié)構(gòu)則采用更大規(guī)格的方鋼管RHS 400 mm×400 mm×15 mm。方鋼管材質(zhì)均為高強(qiáng)鋼，根據(jù)挪威船級(jí)社規(guī)范DNV-OS-B101(Ch.2 Sec.1)，其屈服強(qiáng)度為355 MPa。

2 有限元分析

2.1 模型概述

此生活平臺(tái)僅布置一處吊耳懸臂支架，位于上甲板，距離基線(xiàn)35 000 mm?？紤]到邊界條件的選取，具體的模型如下所述：沿船長(zhǎng)—X軸方向從距離船中29 550 mm處結(jié)構(gòu)至圓筒型外板；沿船寬—Y軸方向從左舷距離船中9 200 mm至右舷8 700 mm；沿高度方向—Z軸方向從距基線(xiàn)35 000 mm 至距基線(xiàn)31 000 mm處。

2.2 模型建立

該模型使用FEMAP軟件進(jìn)行建模，甲板板、艙壁、外板及吊耳支架均使用板單元建模，T型材使用板單元建模，球扁鋼的腹板和球頭分別使用等效規(guī)格的板單元和桿單元來(lái)模擬。典型單元格的大小為100 mm×100 mm。有限元模型概況見(jiàn)圖2。

圖2 有限元模型概況

2.3 邊界條件

船長(zhǎng)X和船寬Y方向上均為對(duì)稱(chēng)約束，Z方向上為固定約束。

2.4 基本載荷

有限元分析時(shí)需要考慮的載荷有：結(jié)構(gòu)自重、吊裝載荷、絞車(chē)自重、甲板載荷、由船舶運(yùn)動(dòng)引起的慣性負(fù)載(X、Y、Z三個(gè)方向)?，F(xiàn)在分別對(duì)各基本載荷進(jìn)行逐一說(shuō)明。

(1)結(jié)構(gòu)自重。為了使模型重量與實(shí)際保持一致，并保證載荷傳遞的準(zhǔn)確性，在建模的過(guò)程中，一些次要結(jié)構(gòu)及型材均會(huì)加以模擬，且所有的結(jié)構(gòu)自重均由FEMAP軟件直接加載完成。

(2)吊裝載荷。本文研究的吊耳的安全設(shè)計(jì)載荷為1 000 kN。根據(jù)規(guī)范DNV 2.22 Lifting Appliance要求，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮的載荷系數(shù)為1.5。廠家提供的設(shè)備資料顯示，繩子的最大破斷力為526 kN，而絞車(chē)的支持載荷僅為200 kN，但當(dāng)絞車(chē)受力大于其支持載荷時(shí)，就會(huì)釋放剎車(chē)。綜上所述，需要用來(lái)加載檢驗(yàn)吊耳強(qiáng)度的應(yīng)為該絞車(chē)的支持載荷，并且根據(jù)實(shí)際的操作情況，本文選擇了正常工作狀態(tài)和極限角度狀態(tài)(橫傾/縱傾達(dá)到12°)時(shí)的兩種工況分別進(jìn)行加載計(jì)算。吊耳典型受力狀態(tài)見(jiàn)圖3。

(3)絞車(chē)自重。絞車(chē)的重量由設(shè)備供應(yīng)商提供。在FEMAP軟件中，通過(guò)質(zhì)量點(diǎn)的形式模擬加載，并通過(guò)剛性連接進(jìn)行力的有效傳遞。

Fh—水平方向拉力；Fz—垂直方向拉力。

(4)甲板載荷。根據(jù)甲板載荷布置圖，得到該位置處的甲板載荷。

(5)慣性力。根據(jù)船舶不同工況下的整體運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果，可以得到設(shè)計(jì)部位的運(yùn)動(dòng)加速度，進(jìn)而得到該結(jié)構(gòu)的慣性力。

2.5 組合工況

基于上述基本載荷，根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、工作狀態(tài)，對(duì)基本載荷進(jìn)行組合，得到用于強(qiáng)度分析的組合工況。本例共有12種組合工況。

2.6 運(yùn)行分析

根據(jù)規(guī)范DNV-OS-C101(Sec.5 & Sec.7)，極限狀態(tài)(ULS)需要考慮材料的利用系數(shù)為1.15，而高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度為355 MPa，所以許用應(yīng)力為308.7 MPa；而意外狀態(tài)(ALS)需要考慮材料的利用系數(shù)為1，所以許用應(yīng)力為355 MPa。

計(jì)算結(jié)果顯示，極限工況(ULS)及意外工況(ALS)最大應(yīng)力分別為289.7 MPa(見(jiàn)圖4)和290 MPa(見(jiàn)圖5)，均滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

極限工況(ULS)及意外工況(ALS)的應(yīng)力分布圖分別見(jiàn)圖6及圖7。

2.7 焊縫強(qiáng)度檢驗(yàn)

在建模過(guò)程中，腹板與甲板連接之處，一般都會(huì)模擬成一塊較厚的板，但在實(shí)際操作中，腹板均是通過(guò)一道道焊縫與甲板連接。由于該懸臂支架上吊耳工作載荷很大，在起吊時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的力與力矩，所以需要進(jìn)行焊接檢驗(yàn)。此例中，檢驗(yàn)焊縫時(shí)應(yīng)選擇軸應(yīng)力最大時(shí)的工況，現(xiàn)分別對(duì)四道焊縫兩兩分析，見(jiàn)圖8。

圖4 最大值處應(yīng)力分布_ULS工況

圖5 最大值處應(yīng)力分布_ALS工況

圖6 整體模型應(yīng)力云圖_ULS工況

圖7 整體模型應(yīng)力云圖_ALS工況

WELD_1—第一道焊縫；WELD_2—第二道焊縫。

按照規(guī)范DNV-OS-C101(Sec.9)要求，校核公式如下：

式中：σ⊥d為焊縫檢驗(yàn)面正應(yīng)力；τ⊥d、τΠd均為焊縫檢驗(yàn)面切應(yīng)力；fu為最小的極限張力值；βw為相關(guān)性系數(shù)，γMw為焊接的材料系數(shù)。

由計(jì)算結(jié)果可讀出相應(yīng)方向的拉力、彎矩等，并計(jì)算得出相應(yīng)的應(yīng)力值，結(jié)果分別見(jiàn)表1。

表1 焊縫參數(shù)列表

根據(jù)上述校核公式計(jì)算結(jié)果，可得兩道焊縫均符合焊接的強(qiáng)度要求。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

本懸臂支架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)要注意方鋼管端部與結(jié)構(gòu)的處理及焊接方式的選擇。此類(lèi)結(jié)構(gòu)除了是主要支撐點(diǎn)之外，也是疲勞問(wèn)題最容易產(chǎn)生的地方。在后續(xù)項(xiàng)目的相關(guān)地方，考慮到起吊過(guò)程會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，方鋼管與結(jié)構(gòu)之間建議取消墊板形式；焊接方式改良至全焊透；并且為了避免集中應(yīng)力的產(chǎn)生，在結(jié)構(gòu)斜撐端部增加軟趾端用來(lái)傳遞應(yīng)力。

4 結(jié)論

本文主要討論了吊耳支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并參照DNV規(guī)范，對(duì)其相應(yīng)的加強(qiáng)進(jìn)行了屈服強(qiáng)度的校核。對(duì)甲板板上的墊板進(jìn)行了焊縫強(qiáng)度檢驗(yàn)，以確保其滿(mǎn)足規(guī)范的接受范圍。在之后類(lèi)似的吊耳設(shè)計(jì)中，可以據(jù)此經(jīng)驗(yàn)先確定主要的支撐形式和型材大小，然后利用有限元進(jìn)行強(qiáng)度校核，最后再根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(1)校核吊耳結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)船級(jí)社的規(guī)范選擇合適的安全系數(shù)。這樣在吊裝作業(yè)時(shí)，按照設(shè)計(jì)工作載荷使用，能夠確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。

(2)從應(yīng)力分布圖可看到，起吊推進(jìn)器時(shí)，支架端部的應(yīng)力值明顯增大，支架墊板會(huì)產(chǎn)生集中應(yīng)力，可采用軟趾端的結(jié)構(gòu)有效過(guò)度應(yīng)力。