呂 超，楊風(fēng)艷，楊明旺，劉廣輝，谷學(xué)準(zhǔn)

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東青島 266520)

組塊、導(dǎo)管架等大型海洋工程結(jié)構(gòu)物，放置在滑靴上建造，建造完成后通過滑道完成滑移裝船，滑靴在建造和裝船過程中，承受著來自上部結(jié)構(gòu)物的所有荷載。

建造過程中，由于上部組快、導(dǎo)管架等結(jié)構(gòu)物的重力作用，因此，變截面滑靴強度校核時，只需要考慮垂直方向的重力載荷，且在整個建造過程中重力會隨著上部結(jié)構(gòu)物的總裝逐漸變大；裝船時，由于受到來自拉力千斤頂?shù)乃椒较蛲献ё饔茫兘孛婊ゲ粌H僅受到重力載荷作用，還受到水平載荷作用；除此以外，裝船時還需要考慮上部結(jié)構(gòu)物樁腿失效造成的變截面滑靴受到載荷變大的工況。根據(jù)不同的裝船方式，滑靴主要分為連續(xù)滑靴、變截面滑靴和等截面滑靴等。本文以變截面滑靴為研究對象，使用ANSYS軟件，剖析滑靴強度的有限元分析技術(shù)。

1 單元類型選擇

ANSYS軟件提供了多種殼單元，如SHELL41、SHELL43、SHELL51、SHELL63、SHELL141、SHELL181。其中，SHELL63單元是最常用的一種彈性薄殼單元。類似的單元包括：SOLID46、SOLID64、SOLID65、SOLID92、SOLID95、SOLID185等。

為使設(shè)計結(jié)果更加準(zhǔn)確，根據(jù)變截面滑靴由薄板、薄殼組成的特點，對變截面滑靴的有限元模擬，應(yīng)該采用殼單元還是實體單元，可以使用使用單根梁為例，通過對比計算，選擇合適的單元類型。需要提前設(shè)置號的有限元模型參數(shù)主要包括，彈性模量，泊松比，梁的截面尺寸和長度，本文使用空心的矩形截面梁。約束情況可以使用最簡單的簡支梁或懸臂梁，載荷位置最好在簡支梁的中間或者懸臂梁的終端，本文使用懸臂梁并將載荷施加在梁的自由端。

根據(jù)計算結(jié)果對比不同單元類型情況下，梁跨中截面正應(yīng)力值可知，殼單元有限元解比理論值偏低；實體單元有限元解與理論值吻合較好，且高階單元(SOLID186、SOLID187)有限元解明顯優(yōu)于低階單元(SOLID185、SOLID285)。變截面滑靴有限模型(殼單元、實體)見圖1、圖。相應(yīng)地，采用高階單元進行有限元計算時所消耗的時間明顯高于低階單元。

圖1 變截面滑靴有限模型(殼單元)

圖2 變截面滑靴有限模型(實體)

對于實體單元，當(dāng)網(wǎng)格尺寸不同時，有限元所得的解會不相同，SOLID186-20單元的節(jié)點六面體受單元尺寸的影響更加明顯。但當(dāng)SOLID185單元尺寸進一步縮小時，有限元解變化不大，求解耗時卻大幅增加。因此，本文使用Solid185對變截面滑靴進行有限元強度計算。

2 倒角

在采用相同模型、不同網(wǎng)格尺寸條件下，無倒角和有倒角的應(yīng)力計算結(jié)果如表1，圖3、圖4。

表1 無倒角和有倒角應(yīng)力計算結(jié)果

圖3 無倒角模型計算結(jié)果

圖4 0.6倍倒角模型計算結(jié)果

無倒角的應(yīng)力結(jié)果隨網(wǎng)格密度增大，在板直角相接處的應(yīng)力集中也會逐步增大；對比相同網(wǎng)格尺寸下，無倒角與倒角后的應(yīng)力值，倒角對應(yīng)力集中有一定的調(diào)節(jié)作用，且隨網(wǎng)格加密調(diào)節(jié)作用越明顯。

3 樁腿高度

分別使用高度為1/4，1/2，3/4，1倍樁腿直徑的樁腿高度進行計算，當(dāng)支撐樁腿高度在上述四種高度之間變化時，整個滑靴的米塞斯應(yīng)力計算結(jié)果差別非常小，樁腿高度對于變截面化學(xué)的強度設(shè)計的影響可以忽略。另外，從支撐導(dǎo)管應(yīng)力分布圖中可以看出，當(dāng)導(dǎo)管高度較小時，頂部與底部應(yīng)力值較大的區(qū)域交織在一起，這屬于圣維南原理現(xiàn)象，此時的樁腿高度不合理。在這種樁腿高度條件下，不能消除邊界效應(yīng)問題。隨著樁腿高度增加，這種影響會逐步減小直至消失。因此，選擇有限元模型的樁腿高度為1/2直徑較為合適。

4 變截面滑靴有限元模型

滑靴鋼結(jié)構(gòu)部分采用實體單元，滑靴底部和滑道直接接觸的木材，考慮各項異性。載荷施加在頂部樁腿薄殼面上。對于有限元模型的約束位置，可以施加在滑靴底部墊木上，在墊木中線位置、地面位置和前后左右的側(cè)面位置施加約束(見圖5、圖6)。

計算結(jié)果表明：對比XYZ約束及正交約束，兩種約束方案關(guān)鍵位置處的最大米塞斯應(yīng)力大小及位置均近似一致；不同約束方案米塞斯應(yīng)力變化不大，表明約束對計算結(jié)果的影響不大，其原因在于滑靴結(jié)構(gòu)及載荷均對稱，且載荷方向豎直向下。

圖5 變截面滑靴有限元模型

圖6 變截面滑靴墊木材有限元模型

5 變截面滑靴裝船過程平穩(wěn)工況下有限元設(shè)計

根據(jù)有限元計算結(jié)果，采用彈性分析時，米塞斯應(yīng)力最大值超過屈服強度；由于拖點應(yīng)力超過屈服應(yīng)力，故采用彈塑性分析，此時米塞斯應(yīng)力最大值還是超過屈服強度，最大米塞斯應(yīng)力發(fā)生位置在拖點處；如果不考慮拖點，滑靴最大米塞斯應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強度。根據(jù)彈性分析計算結(jié)果，底部鋼板米塞斯應(yīng)力最大值為也遠(yuǎn)小于屈服強度；下表面應(yīng)力分布比上表面更加均勻?；ロ敯迮c樁腿米塞斯應(yīng)力最大值低于屈服極限。最大米塞斯應(yīng)力在樁腿與頂板接觸處；根據(jù)彈性分析結(jié)果，在樁腿位置處部分單元進入塑性階段(見圖7)。

圖7 平穩(wěn)工況下受力分析模型

通過對比分析塑性計算結(jié)果，變截面滑靴頂部鋼板與樁腿的接觸位置，并未發(fā)生塑性變形，但是應(yīng)力計算結(jié)果高出其它位置，所以，在實際工程中，此位置應(yīng)當(dāng)布置加強筋板，提高該位置的承載能力。另外，裝船工況下，該位置的應(yīng)力比建造工況下變大，主要原因在于，一個方向受到壓力作用、另外一個方向受到拉力作用。

6 變截面滑靴裝船過程不平穩(wěn)工況下有限元設(shè)計

裝船時，使用拉力千斤頂拖拉變截面滑靴前端的拖點，拖拽里的作用方向為水平方向，該水平方向的力主要克服水平變截面滑靴和滑道板之間的摩擦力，由于已經(jīng)提前鋪設(shè)特氟龍板在滑道板上，因此，滑靴下方木頭和滑道板間的靜摩擦系數(shù)取0.2。裝船過程中，滑靴部分位于碼頭側(cè)的滑道上面，部分轉(zhuǎn)移到了船舶上的鋼制滑道。若船體下沉，則會對滑靴底部的約束產(chǎn)生影響。滑靴上船部分小于二分之一，則陸地部分依然XYZ全約束，上船部分懸空，予以放松約束；滑靴上船部分大于二分之一，則滑靴轉(zhuǎn)移至船上，由駁船承載。

圖8 滑靴裝船過程受力分析模型

6.1 滑靴八分之七位于陸地有限元結(jié)果分析

采用彈性分析時，米塞斯應(yīng)力最大值超過屈服強度；由于拖點應(yīng)力超過屈服應(yīng)力，故采用彈塑性分析，此時米塞斯應(yīng)力最大值還是超過屈服強度，最大米塞斯應(yīng)力發(fā)生位置在拖點處；墊木應(yīng)力最大值發(fā)生位置在約束改變處；主要原因是部分懸空使得墊木承受較大應(yīng)力，類似于剪切變形。根據(jù)塑性分析計算結(jié)果，底部鋼板米塞斯應(yīng)力最大值未超過屈服極限；下表面應(yīng)力分布比上表面更加均勻。滑靴頂板與樁腿連接位置處，米塞斯應(yīng)力最大值低于屈服極限。最大米塞斯應(yīng)力在樁腿與頂板接觸處；根據(jù)彈性分析結(jié)果，在樁腿位置處單元仍處于彈性，但該處應(yīng)力高于其他位置應(yīng)力較多。在樁腿與滑靴頂部鋼板接觸位置，計算結(jié)果和第5部分分布規(guī)律相同，主要原因在于，一個方向受到壓力作用、另外一個方向受到拉力作用。根據(jù)彈塑性分析結(jié)果，米塞斯應(yīng)力最大點首先出現(xiàn)在與水平方向夾角為45度的兩個點，然后向中部擴散，在實際項目中應(yīng)采取相應(yīng)措施。

6.2 滑靴八分之六位于陸地有限元結(jié)果分析

圖9 滑靴八分之六位于陸地受力分析模型

采用彈性分析時，米塞斯應(yīng)力最大值超過屈服強度；由于拖點應(yīng)力超過屈服應(yīng)力，故采用彈塑性分析，此時米塞斯應(yīng)力最大值還是超過屈服強度，最大米塞斯應(yīng)力發(fā)生位置在拖點處；滑靴墊木應(yīng)力值最大值出現(xiàn)在極個別單元。底部鋼板應(yīng)力分布規(guī)律與約束位置關(guān)系密切；已上船部分鋼板應(yīng)力明顯高于未上船部分。對于滑靴頂板與樁腿，應(yīng)力大小及分布規(guī)律變化與其他階段相比變化不大對于拖點，應(yīng)力大小及分布規(guī)律變化與其他階段相比變化不大；主要原因在于：拖點主要承受拉力作用，上部樁腿傳遞到拖點的壓力對拖點影響較小(見圖9)。

6.3 滑靴八分之四上船有限元結(jié)果分析

圖10 滑靴八分之四上船受力分析模型

采用彈性分析時，米塞斯應(yīng)力最大值遠(yuǎn)超過屈服強度；由于拖點應(yīng)力超過屈服應(yīng)力，故采用彈塑性分析，此時米塞斯應(yīng)力最大值還是超過屈服強度，最大米塞斯應(yīng)力發(fā)生位置在拖點處；在上船到一半的時候，若發(fā)生船體下沉，墊木應(yīng)力高；建議應(yīng)重點監(jiān)控上船至一半的過程。在上船到一半的時候，若發(fā)生船體下沉，底部鋼板應(yīng)力高；建議應(yīng)重點監(jiān)控上船至一半的過程。在底部鋼板上應(yīng)力分布規(guī)律極不平均。對于滑靴頂板與樁腿，上船到變截面滑靴中間位置時，應(yīng)力大小及分布規(guī)律變化不大(見圖10)。

7 結(jié)論

在上船過程中，當(dāng)變截面滑靴一半上船后，滑靴底部墊木及鋼板應(yīng)力變大。這是由于滑靴上部結(jié)構(gòu)物的立柱位置正好在滑靴的中間位置，此時，將會在滑靴和滑道前沿的接觸位置，對底部墊木及鋼板產(chǎn)生剪切應(yīng)力，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，建議滑靴上船快到中間位置時，應(yīng)讓駁船負(fù)載，避免樁腿彎矩過大造成破壞。對于拖點，在上船過程中，其應(yīng)力大小及規(guī)律均變化不大。主要原因在于：拖點主要承受拉力作用，上部樁腿傳遞到拖點的壓力對拖點影響較小。變截面滑靴和樁腿連接位置處，在裝船過程中，船舶和碼頭之間的高差發(fā)生變化時，應(yīng)力值和分布規(guī)律沒有明顯變化。主要原因在于：該部位主要承受來自樁腿的壓力作用，拖點的水平力對該部位影響較小。