鉆井船生活區(qū)模塊整體吊裝有限元分析

周　慶，李風(fēng)波，向小斌，徐　輝

(1.上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231；2.大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧 大連 116113)

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鉆井船生活區(qū)模塊整體吊裝有限元分析

周慶1，李風(fēng)波2，向小斌1，徐輝1

(1.上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231；2.大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧 大連 116113)

為保證對(duì)總重近1 500 t的鉆井船生活區(qū)模塊整體吊裝順利進(jìn)行，采用MSC. Patran/Nastran軟件進(jìn)行有限元分析，計(jì)算載荷按照GL-Noble Denton規(guī)范選取，計(jì)算得到生活區(qū)模塊的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，分析中模擬鋼絲繩索具，從而能更準(zhǔn)確地計(jì)算吊耳的應(yīng)力和變形，同時(shí)還能夠得到浮吊的每個(gè)鉤頭的實(shí)際載荷，保證單個(gè)鉤頭載荷不超載。

生活區(qū)模塊；整體吊裝；強(qiáng)度分析；有限元

大型海洋工程船舶和平臺(tái)項(xiàng)目的生活區(qū)通常采用模塊化的建造方法，以提高預(yù)舾裝率和建造進(jìn)度。近年來(lái)隨著船廠吊裝設(shè)備能力的提高和吊裝工藝的逐步改進(jìn)，生活區(qū)模塊的整體吊裝在海洋工程建造中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但由于生活區(qū)模塊在結(jié)構(gòu)分類上一般屬于次要結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性設(shè)計(jì)的相對(duì)較弱，因此如何檢驗(yàn)吊裝方案的安全性成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。近年來(lái)，已有相關(guān)的文獻(xiàn)述及應(yīng)用有限元法對(duì)吊裝過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真分析[1-2]。本文依據(jù)GL-Noble Denton規(guī)范[3]，利用有限元軟件MSC. Patran/Nastran計(jì)算校核某鉆井船生活區(qū)模塊整體吊裝時(shí)的應(yīng)力和變形，并且在有限元模型中模擬了32根吊索，不但使得吊耳的強(qiáng)度計(jì)算更加準(zhǔn)確，而且可以計(jì)算校核浮吊的每個(gè)鉤頭的實(shí)際分擔(dān)載荷。

1　生活區(qū)模塊參數(shù)和有限元模型

1.1生活區(qū)模塊結(jié)構(gòu)形式

該鉆井船生活區(qū)模塊共七層，整個(gè)模塊長(zhǎng)29.3 m、寬34.0 m、高22.4 m。整個(gè)生活區(qū)結(jié)構(gòu)均采用普通船用鋼建造，許用應(yīng)力為235 MPa，其中，吊耳和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)采用AH36高強(qiáng)度鋼建造，許用應(yīng)力為355 MPa，材料密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=206 GPa，泊松比v=0.3，整個(gè)模塊的重量重心見(jiàn)表1。

表1　重量重心

1.2吊裝方案設(shè)計(jì)

對(duì)該生活區(qū)模塊采用2 000 t浮吊吊裝，該浮吊有4個(gè)500 t主鉤，相對(duì)應(yīng)的在模塊上共布置了4組吊點(diǎn)，每組8個(gè)吊耳，一共32個(gè)吊耳。吊耳布置于生活區(qū)艏艉兩側(cè)，艏部?jī)山M吊耳以前圍壁的上端為眼板，此處前圍壁的板厚增加到30 mm，加上頰板，吊耳眼板的總厚度達(dá)110 mm，艉部?jī)山M吊耳采用D型吊耳，布置在后圍壁上，吊點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

圖1　整體有限元模型及吊點(diǎn)布置

1.3有限元模型

通過(guò)MSC. Patran大型有限元計(jì)算軟件建立整個(gè)生活區(qū)模塊的結(jié)構(gòu)有限元模型，整體模型見(jiàn)圖1。甲板、艙壁、縱桁及橫梁的腹板采用板單元，縱桁和橫梁的面板、甲板縱骨及艙壁扶強(qiáng)材等采用梁?jiǎn)卧摻z繩用桿單元建模?？傮w網(wǎng)格尺寸為350 mm×350 mm，即每一縱骨間距2個(gè)單元，吊耳附近區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格長(zhǎng)、寬均為43.75 mm，細(xì)化網(wǎng)格局部模型見(jiàn)圖2。

圖2　顯示板厚的吊耳局部模型

1.4坐標(biāo)系、邊界條件及載荷工況

坐標(biāo)系定義：采用右手法則，定義FR0與基線和中線的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸為沿船長(zhǎng)方向，指向船艏為正，y軸為沿船寬方向，指向左舷為正，z方向向上為正。

邊界條件。所有吊點(diǎn)鋼絲繩索具末端約束x,y,z3個(gè)方向位移，另外在有限元模型通過(guò)理論重心的橫向截面和縱向截面上分別選取2個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)位于橫向截面上，約束其縱向位移，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)位于縱向截面上，約束其橫向位移。增加這2個(gè)節(jié)點(diǎn)約束是為了增加整體模型的約束度，避免計(jì)算中出現(xiàn)約束不足的情況，計(jì)算結(jié)果也顯示這兩個(gè)約束節(jié)點(diǎn)的支反力都非常小，不會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性。使用桿單元模擬鋼絲繩索具是為了計(jì)算鋼絲繩的拉力，從而計(jì)算4鉤頭浮吊每個(gè)鉤頭的實(shí)際分擔(dān)載荷，防止單個(gè)鉤頭超載。見(jiàn)圖3。

圖3　邊界條件

載荷工況。計(jì)算中載荷就是被吊物的重量，表1中的結(jié)構(gòu)重量由軟件根據(jù)模型自動(dòng)生成，其他分項(xiàng)重量通過(guò)質(zhì)量單元分層施加在生活區(qū)模塊各層甲板上。根據(jù)GL-Noble Denton規(guī)范，吊裝有限元計(jì)算需要考慮動(dòng)態(tài)放大、重心偏移、索具偏差等各種載荷修正系數(shù)，具體載荷系數(shù)見(jiàn)表2。

綜合表2中規(guī)范給出的各項(xiàng)載荷系數(shù)，生活區(qū)模塊結(jié)構(gòu)可分為吊耳結(jié)構(gòu)、吊點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)、其他結(jié)構(gòu)3類，不同分類結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同的載荷系數(shù)，其中吊耳結(jié)構(gòu)的載荷系數(shù)最大為1.67。對(duì)應(yīng)3種載荷系數(shù)，設(shè)定了3種計(jì)算工況，載荷分別為模塊重量乘以相應(yīng)的載荷系數(shù)，這3種工況分別用于計(jì)算校核相應(yīng)的3類結(jié)構(gòu)，具體見(jiàn)表3[5]。

表2　吊裝載荷系數(shù)

表3　載荷工況

2　有限元計(jì)算

根據(jù)GL-Noble Denton規(guī)范，采用許用應(yīng)力法進(jìn)行吊裝計(jì)算，在考慮吊裝載荷系數(shù)情況下，材料系數(shù)取為0.75，普通鋼許用應(yīng)力為176 MPa，AH36高強(qiáng)鋼的許用應(yīng)力為266 MPa， 計(jì)算所得各工況下各個(gè)結(jié)構(gòu)部位的最大應(yīng)力和變形結(jié)果見(jiàn)圖4～8所示。

圖4　LC101 生活區(qū)模塊整體應(yīng)力分布

圖5　LC101 生活區(qū)模塊整體變形

圖6　LC102吊點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

圖7　LC103 艉側(cè)吊耳應(yīng)力分布

圖8　LC103 艏側(cè)吊耳應(yīng)力分布

3　結(jié)果分析

整理各工況下各結(jié)構(gòu)部位的最大應(yīng)力和變形結(jié)果見(jiàn)表4，由結(jié)果可見(jiàn)，各工況下對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力均未超過(guò)GL-Noble Denton規(guī)范要求[3]。

表4　最大應(yīng)力與變形

最大應(yīng)力173 MPa發(fā)生在吊耳眼板上，在吊耳及支撐結(jié)構(gòu)以外其他區(qū)域，如圖9所示，最大應(yīng)力發(fā)生B甲板下一處開(kāi)孔密集的艙壁區(qū)域，此處結(jié)構(gòu)根據(jù)初次計(jì)算結(jié)果，經(jīng)過(guò)局部加強(qiáng)處理后，最終的應(yīng)力結(jié)果為159 MPa。

圖9　LC101 吊點(diǎn)區(qū)域以外最大應(yīng)力位置

為了校核4鉤頭浮吊單個(gè)鉤頭的載荷，使用桿單元模擬了鋼絲繩，通過(guò)計(jì)算每組吊點(diǎn)的8根鋼絲繩支反力之和，得到每個(gè)鉤頭的實(shí)際載荷。

由表2可知，吊裝動(dòng)荷載系數(shù)之和為1.29，對(duì)應(yīng)計(jì)算中的LC101工況。單組吊點(diǎn)鋼絲繩支反力結(jié)果見(jiàn)圖10，計(jì)算得到4組吊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的鉤頭載荷見(jiàn)表5，由結(jié)果可見(jiàn)，各鉤頭載荷均未超過(guò)許用載荷。

表5　LC101鉤頭載荷　kN

圖10　單組吊點(diǎn)鋼絲繩支反力

4　結(jié)論

吊裝時(shí)高應(yīng)力一般發(fā)生在吊點(diǎn)附近區(qū)域的結(jié)構(gòu)上，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)開(kāi)口密集的薄弱部位。有限元計(jì)算可以提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取加強(qiáng)措施，再經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算復(fù)核，以保證加強(qiáng)后的局部強(qiáng)度滿足吊裝要求。

[1] 李永正，王珂，郭瑋.大型油船上層建筑整體吊裝強(qiáng)度有限元分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，36(12)：10011-10016.

[2] 王鋒，汪家政.大型船舶上層建筑整體吊裝技術(shù)研究及應(yīng)用[J].造船技術(shù)，2011，299(1)：20-22.

[3] GL Noble Denton. Guidelines for marine lifting & lowering operation[S]. 0027/ND Rev10, 22 June 2013.

[4] 楊龍，張少雄.船體結(jié)構(gòu)上層建筑設(shè)計(jì)計(jì)算中邊界條件的處理[J].船海工程，2004(1)：18-20.

[5] 金忠謀.材料力學(xué)(I)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005(3).

[6] 中國(guó)船級(jí)社.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南[S].北京：人民交通出版社，2001.

FE Analysis for the Integral Lifting of Accommodation Module for Drill-ship

ZHOU Qing1, LI Feng-bo2, XIANG Xiao-bin1, XU Hui1

(1.COSCO Shanghai Shipyard Co. Ltd., Shanghai 200231, China; 2.COSCO Dalian Shipyard Co. Ltd., Dalian Liaoning 116113, China)

In order to ensure the safety of the integral lifting operation of the accommodation module for a drill-ship, the structural strength is assessed by FEA in MSC Patran/Nastran software. In the calculation, the designed loads are computed in terms of the rule of GL-Noble Denton, so as to get the structural responses under the lifting condition. The lifting slings are also simulated to accurately calculate the response of lifting pad-eyes, furthermore, the load of each hook of lifting barge can be calculated to avoid overload.

accommodation module; integral lifting; strength analysis; finite element method

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.038

2015-10-23

2015-11-09

周慶(1974-)，男，碩士，工程師

U661.43;U674.38

A

1671-7953(2016)01-0178-04

研究方向:海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

E-mail:zhouqing@cosco-shipyard.com