半潛式起重鋪管船總強(qiáng)度直接計(jì)算研究

鐘 晨周 佳楊 輝

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

半潛式起重鋪管船總強(qiáng)度直接計(jì)算研究

鐘 晨1周 佳1楊 輝2

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

［摘 要］半潛式起重鋪管船由上平臺(tái)中若干立柱和橫撐以及兩個(gè)下浮體組成。工作和運(yùn)營(yíng)時(shí)的結(jié)構(gòu)受力十分復(fù)雜，文中采用直接計(jì)算方法，對(duì)各種典型工況進(jìn)行有限元計(jì)算，對(duì)半潛式起重鋪管船總強(qiáng)度載荷模式，主要載荷傳遞路徑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行分析和論述。

［關(guān)鍵詞］半潛起式重鋪管船；總強(qiáng)度；有限元

引 言

起重鋪管工程船是在無(wú)限航區(qū)航行，并在滿足設(shè)計(jì)要求的作業(yè)環(huán)境和海區(qū)內(nèi)進(jìn)行海洋工程結(jié)構(gòu)物吊裝、鋪管等作業(yè)的特種工程船舶。大型起重鋪管船以其出色的作業(yè)能力和穩(wěn)定性而備受業(yè)界關(guān)注；同時(shí)，也因其體積巨大、作業(yè)設(shè)備較多，使該類型船的設(shè)計(jì)和建造成本大大高于普通船舶。本文研究的起重鋪管船為半潛式，作業(yè)時(shí)既要遭受可能的環(huán)境載荷作用，也要同時(shí)承受較大的起重作業(yè)載荷，受力情況遠(yuǎn)較常規(guī)船舶復(fù)雜；因此，對(duì)船體結(jié)構(gòu)的總強(qiáng)度提出了很高的要求。對(duì)此，在船體結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度的分析與評(píng)估，為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要部分。［1］

總強(qiáng)度評(píng)估中的波浪載荷計(jì)算采用DNV-GL船級(jí)社的Sesam/Wadam軟件，之后將計(jì)算得到的各典型工況的外載荷，包括濕表面水動(dòng)壓力、靜水壓力以及慣性力加載到有限元模型上，采用Sesam/ Sestra模塊對(duì)全船有限元模型進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)求解，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析討論。

1 船型簡(jiǎn)介

本文研究的是一艘鋼質(zhì)全電焊半潛型起重鋪管工程船。

主要尺度及參數(shù)如下：

總 長(zhǎng)LOA225 m

水線長(zhǎng) LWL223.06 m

型 寬B 90.00 m

型 深D 47.00 m

航行吃水 12.00 m

起重作業(yè) 27.00 m

生存吃水 16.00 m

該半潛式起重鋪管船的主船體由左右兩個(gè)流線型下浮體、4對(duì)對(duì)稱立柱及橫撐和上平臺(tái)構(gòu)成，如圖1和圖2所示。其浮力主要由水下部分（包括左右下浮體和部分立柱）來(lái)提供，同時(shí)僅由4對(duì)立柱提供有限的水線面面積，因此減小了惡劣海況下受到的波浪力，從而改善了船舶的運(yùn)動(dòng)性能。此外，由于平臺(tái)箱型上船體遠(yuǎn)離水面，因此不易受海水波浪載荷影響。

圖1 半潛起重鋪管船側(cè)視圖

圖2 半潛起重鋪管船俯視圖

可見(jiàn)，該半潛式起重鋪管船的結(jié)構(gòu)形式與常規(guī)船型有很大不同。為滿足設(shè)計(jì)需要，主船體絕大部分結(jié)構(gòu)材料都采用高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼，以減輕結(jié)構(gòu)重量。鑒于該船載荷工況復(fù)雜、結(jié)構(gòu)受力形式特殊，將采用直接計(jì)算方法對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。

2 載荷與計(jì)算工況

根據(jù)規(guī)范和相關(guān)參考資料要求，半潛式起重鋪管船的典型裝載工況包括作業(yè)（起重和鋪管）、航行和生存工況。因此，將根據(jù)不同工況下的吃水和質(zhì)量分布分別建模。采用短期預(yù)報(bào)方法，根據(jù)不同超越概率對(duì)應(yīng)的有義波高和譜峰周期，平均跨零周期預(yù)報(bào)船體所受的波浪載荷，并根據(jù)所得的波浪載荷對(duì)結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。其中，作業(yè)裝載需要考慮起重時(shí)的外載荷最大，但波浪工況只需計(jì)算一年一遇即可。航行裝載需計(jì)算二十年一遇的波浪載荷，生存裝載則需要考慮目標(biāo)海域百年一遇的波浪載荷。具體裝載工況和海況條件見(jiàn)表1。

表1 裝載工況和海況條件

本文的分析采用基于三維繞輻射勢(shì)流理論的水動(dòng)力計(jì)算軟件，可完成海上結(jié)構(gòu)物的載荷預(yù)報(bào)，坐標(biāo)系為船體重心處的隨船坐標(biāo)系。

半潛式起重鋪管船典型的裝載載況包括作業(yè)（起重和鋪管）狀態(tài)和生存狀態(tài)，對(duì)不同載況需要分別進(jìn)行僅受靜水載荷和受最大波浪載荷條件下的總強(qiáng)度分析。參考工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范對(duì)半潛式平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求，需校核以下主導(dǎo)載荷參數(shù)確定的等效設(shè)計(jì)波下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度［2-3］；其中，前6個(gè)典型受載狀態(tài)是參考ABS對(duì)半潛平臺(tái)的計(jì)算要求選取，最大垂向剪切則是因?yàn)楸敬L(zhǎng)寬比大于普通半潛平臺(tái)而需要進(jìn)行校核。船體主導(dǎo)載荷下的受力情況見(jiàn)圖3。

計(jì)算中建立船體的三維濕表面模型（見(jiàn)圖4）。按照三維繞輻射勢(shì)流理論，通過(guò)計(jì)算作用在船體上的流體動(dòng)力，獲得波浪誘導(dǎo)的船體各剖面典型波浪載荷的傳遞函數(shù)，根據(jù)該船的海況，采用對(duì)波浪載荷進(jìn)行預(yù)報(bào)［4-8］，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析和評(píng)估。

圖3 半潛起重鋪管船最大波浪工況

圖4 半潛起重鋪管船三維濕表面模型

3 結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

本船的主體結(jié)構(gòu)模型采用殼單元-梁?jiǎn)卧Y(jié)合的力學(xué)模型。模型整體采用粗網(wǎng)格單元建模，網(wǎng)格尺度取為兩倍肋骨間距。艙壁板、外板、甲板板，船底板和強(qiáng)框腹板等采用殼單元，強(qiáng)框的面板、縱骨、艙壁扶強(qiáng)材等弱構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧?，設(shè)備、壓載、起重作業(yè)時(shí)的吊重等質(zhì)量采用質(zhì)量單元進(jìn)行模擬。如圖5所示，整體模型約有32萬(wàn)個(gè)單元、17萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖5 全船有限元模型

結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)的載荷加載采用設(shè)計(jì)波法，對(duì)頻率為3～35 s、浪向?yàn)槿讼虻脑O(shè)計(jì)波進(jìn)行搜索，并計(jì)算相應(yīng)的傳遞函數(shù)，結(jié)合預(yù)報(bào)的波浪載荷可以得到用于有限元計(jì)算載荷加載的設(shè)計(jì)波。并將設(shè)計(jì)波載荷加載到有限元模型上進(jìn)行計(jì)算。

為了避免結(jié)構(gòu)模型發(fā)生剛體位移，必須在模型中施加位移邊界條件。由于半潛起重鋪管船結(jié)構(gòu)的特殊性，在選擇邊界條件時(shí)，既需要避免強(qiáng)制變形和剛體位移，也需要考慮求解時(shí)能體現(xiàn)最大特征載荷的變形狀況。經(jīng)過(guò)不同工況和邊界條件的計(jì)算比較，按如下選取邊界條件可以對(duì)本船計(jì)算的7個(gè)工況得到比較準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果：在下浮體縱橫艙壁和中間甲板的交錯(cuò)處選取3個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)施加如下的位移邊界條件，如圖6所示。

圖6 有限元模型的邊界條件

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，工作裝載下，最危險(xiǎn)狀況出現(xiàn)在靜水工況，下浮體靠后部的縱艙壁、尾部立柱的縱艙壁和上平臺(tái)的縱艙壁。此外，下浮體的底板屈曲強(qiáng)度也較為緊張。航行裝載的最危險(xiǎn)狀況出現(xiàn)在最大橫向加速度工況時(shí)，船首方向的兩組立柱外板和立柱與上平臺(tái)連接位置應(yīng)力最高。生存裝載時(shí)，最危險(xiǎn)工況出現(xiàn)在波浪最大扭矩和最大縱向剪切工況，最大應(yīng)力出現(xiàn)在船首方向的兩組立柱外板、立柱和上平臺(tái)、下浮體連接位置。

4 分析與討論

由于特殊的結(jié)構(gòu)形式和作業(yè)特點(diǎn)，本船與傳統(tǒng)的半潛式平臺(tái)應(yīng)力分布既有相似之處，也有很大不同。

在作業(yè)（尾吊）工況，波浪載荷相對(duì)很小，但由表1可知，因?yàn)橐?guī)范規(guī)定了較大的靜水工況安全因子，所以靜水工況成為設(shè)計(jì)控制工況。計(jì)算中的最大應(yīng)力出現(xiàn)在下浮體靠近尾部的縱艙壁（如圖7所示），對(duì)應(yīng)的上平臺(tái)縱艙壁尾部立柱縱艙壁明顯剪應(yīng)力較大，可以看出清晰的應(yīng)力傳導(dǎo)路徑。同時(shí)，由于在此工況下，船體浮態(tài)的調(diào)整要求，靠近船前部往往需要注入大量壓載水進(jìn)行平衡；因此，半潛起重鋪管船的整體變形情況，類似排水型船的船體最大中拱。雖然結(jié)構(gòu)形式不同導(dǎo)致應(yīng)力分布也有差異，但對(duì)下平臺(tái)的船底屈曲強(qiáng)度同樣也提出了很高的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

圖7 尾吊工作工況下浮體縱艙壁高應(yīng)力區(qū)域（靜水）

圖8 航行裝載立柱外板高應(yīng)力區(qū)域（最大橫向加速度）

在航行裝載中，危險(xiǎn)區(qū)域出現(xiàn)在最大橫向加速度工況時(shí)，首部前2組立柱和立柱內(nèi)側(cè)外板區(qū)域（如圖8所示）。因?yàn)樵诤叫醒b載的狀況下，本船吃水較淺，而船體的重心相對(duì)其他裝載工況較高，因此在橫搖時(shí)產(chǎn)生了更大的橫向加速度，并且兩個(gè)下浮體之間的受力分布不均。相對(duì)而言，靠近船尾的2組立柱之間各有3對(duì)橫撐，可以較好地分散應(yīng)力，而靠近船首的2組立柱只有近船中的1組立柱之間有3對(duì)橫撐，結(jié)構(gòu)剛度偏小，因此外板受力更大。其中一組立柱既無(wú)橫撐又靠近船首，并且要承受縱向受力不均和橫向受力不均，故所受拉壓和剪應(yīng)力更大。

在生存裝載下，采用百年一遇的波浪工況，波浪載荷的影響達(dá)到最大。生存裝載吃水介于作業(yè)裝載和航行裝載之間，波浪力主要作用于立柱。最危險(xiǎn)工況出現(xiàn)在扭矩與縱向剪切工況的最大立柱外板以及立柱與下浮體、上平臺(tái)連接的位置，如圖9所示。

圖9 生存裝載（百年一遇海況）立柱外殼高應(yīng)力區(qū)域（最大縱向剪切狀態(tài)）

相對(duì)于作業(yè)航行裝載，生存裝載的變形主要是左右船體和立柱受到縱向不均勻力而引起。因此，在立柱與下浮體、上平臺(tái)連接的轉(zhuǎn)圓處，應(yīng)力集中非常明顯，粗網(wǎng)格往往已經(jīng)不能滿足計(jì)算校核的要求，建議進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格分析，并且對(duì)轉(zhuǎn)圓區(qū)域的結(jié)構(gòu)連接形式進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，以滿足強(qiáng)度要求。

根據(jù)本船計(jì)算研究，可以總結(jié)出半潛式起重鋪管船的總強(qiáng)度。直接計(jì)算的一般流程如圖10所示。

5 結(jié) 論

圖10 半潛式起重鋪管船總強(qiáng)度計(jì)算的一般計(jì)算流程

本文通過(guò)半潛式起重鋪管船的實(shí)際研究設(shè)計(jì)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的核心分析技術(shù)（總強(qiáng)度分析）進(jìn)行介紹；通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的討論，分析半潛式起重鋪管船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要注意的要點(diǎn)，歸納、總結(jié)出針對(duì)半潛式起重鋪管船的直接計(jì)算工況，可供相關(guān)人員參考。

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［中圖分類號(hào)］U661.4

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2015）03-0052-05

［基金項(xiàng)目］重大專項(xiàng)深水鋪管起重船及配套工程技術(shù)（2011ZX05027-002）。

［收稿日期］2014-09-11；［修回日期］2014-10-08

［作者簡(jiǎn)介］鐘 晨（1982-），男，碩士，工程師，研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化。周 佳（1981-），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向:海洋工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和計(jì)算以及結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化。楊 輝（1980-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：海洋平臺(tái)與工程船舶總體設(shè)計(jì)與性能研究。

Global strength analysis and calculation of semi-submersible crane/pipe-laying vessels

ZHONG Chen1ZHOU Jia1YANG Hui2

(1. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; (2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China)

Abstract：A semi-submersible crane/pipe-laying vessel consists of upper hull， several columns， braces and two low attached hulls. Its structural stress is very much complicated under working and sailing conditions. With a direct calculation method， this paper carries out the analyses and discussions of the load mode of global strength，transfer path of main loads and key area for the structural design of the semi-submersible crane/pipe-laying vessel under the various typical working conditions by FEM.

Keywords：semi-submersible crane/pipe-laying vessel； global strength； FEM