83．8 m平臺支持船總縱強度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

劉 磊，王甫超

(1．江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團)有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212002;2．江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

0 引言

平臺支持船作為重要的海洋工程裝備，為石油平臺提供物質(zhì)支持和作業(yè)服務(wù)，是海洋資源勘探開發(fā)的基礎(chǔ)和支撐性設(shè)備。隨著平臺支持船向功能綜合化、船型多樣化和船體大型化方向發(fā)展，國際海事組織和各大船級社對平臺支持船的穩(wěn)性和耐波性、操縱性以及安全性提出了更高的要求。

本文以83．8 m平臺支持船為研究目標，在全船有限元結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上對船舶提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并修改有限元模型，進而再次評估船舶總縱強度［2］，最終滿足美國船級社(ABS)規(guī)范的要求。

1 實船有限元模型

平臺支持船主要尺度為:總長83．800 m，垂線間長 76．013 m，型寬18．000 m，型深 8．400 m，設(shè)計吃水 6．800 m，肋距 0．700 m/0．600 m。

本船船底板厚度10 mm;舷側(cè)外板厚度首部10 mm，尾部8 mm;中部區(qū)域舷頂列板為20 mm，其余為12 mm;橫艙壁8 mm;縱艙壁上方10 mm，下方8 mm。平臺支持船以及橫向剖面的有限元模型分別如圖1、圖2所示。

圖1平臺支持船有限元模型

圖2 橫向剖面有限元模型

2 總縱強度校核

2．1 邊界條件

本文研究船舶結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，邊界條件采用慣性釋放的方法，即在船舶結(jié)構(gòu)上施加一個虛擬的約束反力以此來確保結(jié)構(gòu)的合力平衡。對于這種虛擬支座，軟件第一步計算每個節(jié)點在每個方向上的加速度，第二步將加速度轉(zhuǎn)化為慣性力反向施加到相應(yīng)的節(jié)點上，由此構(gòu)成一個平衡力系，最終計算出所有節(jié)點相對于該支座的相對運動［2］。為了消除剛體位移，對平臺支持船邊界條件采取慣性釋放。本船慣性釋放點位于節(jié)點8 159。

2．2 載荷及載荷施加

2．2．1 工況

根據(jù)平臺支持船穩(wěn)性計算書的相關(guān)要求，并且計入波浪對船體的作用，該船的計算工況主要分為12種。其工況情況具體如下:

工況1:滿載出港—(波峰位于船中);

工況2:滿載出港—(波谷位于船中);

工況3:滿載到港—(波峰位于船中);

工況4:滿載到港—(波谷位于船中);

工況5:壓載出港—(波峰位于船中);

工況6:壓載出港—(波谷位于船中);

工況7:壓載到港—(波峰位于船中);

工況8:壓載到港—(波谷位于船中);

工況9:最大甲板載荷出港—(波峰位于船中);

工況10:最大甲板載荷出港—(波谷位于船中);

工況11:最大甲板載荷到港—(波峰位于船中);

工況12:最大甲板載荷到港—(波谷位于船中)。

平臺支持船舶的計算載荷主要有舷外水壓力、貨物重量和船舶結(jié)構(gòu)自重等。

2．2．2 舷外水壓力

分別計算各航行工況下，波谷在船中和波峰在船中的情況，然后計算出船舶兩側(cè)的實際波高分布情況，最后將計算得到的舷外水壓力加載到船體外側(cè)濕表面的有限元單元上［5］。

對于船長不足150 m的船舶，波長λ取船長尺度。計算波高 h0取1/20波長用于計算波浪彎矩［6］。波浪形式取規(guī)則余弦波。不同航區(qū)的計算波高h0和計算波長λ0分別按式(1)、式(2)計算:

式中:λ 為波長，λ =76．013 m。

經(jīng)計算，h0=3．80 m。

式中:L為垂線間長，L=76．013 m。

經(jīng)計算，λ0=2．87 m。

最終計算波長取為2．87 m。

2．2．3 貨物重量

船舶貨物重量按照穩(wěn)性計算書的要求施加。以滿載出港(冰)為例，貨物包括:水泥556．4 t，燃油884．8 t，淡水 596．1 t，甲醇 257．2 t，雜物 56．7 t，泥漿 1 775．8 t，壓載水 63．2 t，潛水箱 368．8 t，人員40 t，冰體 72．5 t。

2．2．4 有限元計算結(jié)果

通過有限元軟件分析，得到船舶的計算應(yīng)力云圖，其應(yīng)力云圖如圖3所示。

整理不同工況下甲板、船底板、外板和橫縱艙壁的計算情況，其結(jié)果見表1。

從圖3、表1中可以看出:

(1)經(jīng)過數(shù)值模擬全船計算分析，甲板、船底板、舷側(cè)外板以及內(nèi)部各構(gòu)件的計算結(jié)果都小于許用值，即船舶結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求。

(2)通過應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)，全船結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中主要分布在舷側(cè)以及艏部底部區(qū)域，跟所受到的載荷有關(guān)。

(3)邊界條件采用慣性釋放。采用這種方式可以避免約束集中的情況，能夠詳細反映整船的真實情況。但是值得注意的是，模型上施加的重量跟實際船的重量要保持一致。

(4)甲板和船底受到的最大應(yīng)力為248 MPa，裕度為23%;舷側(cè)外板最大應(yīng)力為237 MPa，裕度為26%;橫縱艙壁最大應(yīng)力為202 MPa，裕度為37%?？梢娬Y(jié)構(gòu)強度離許用值還有一定差距，因此可以對船體板材進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖3 平臺支持船不同位置應(yīng)力云圖(工況1)

表1 各構(gòu)件計算應(yīng)力匯總表

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的總縱強度分析

3．1 優(yōu)化措施

本節(jié)提出平臺支持船的結(jié)構(gòu)強度優(yōu)化措施用以改善原始的船舶結(jié)構(gòu)，最終再次評估船舶的局部強度［7］。改善措施:橫縱艙壁在厚度上作相應(yīng)調(diào)整，中部橫艙壁8 mm變?yōu)? mm，縱艙壁上方10 mm變?yōu)? mm;舷側(cè)外板由原來12 mm變?yōu)?0 mm。具體施加部位如圖4所示。

3．2 計算結(jié)果

對改進后的結(jié)構(gòu)進行有限元直接計算，校核其強度，計算結(jié)果見表2。其中，以最危險工況滿載出港為例，計算工況分為以下2種:

計算工況13:滿載出港—(波峰位于船中)計算工況14:滿載出港—(波谷位于船中)

圖4 優(yōu)化措施

表2 各構(gòu)件計算應(yīng)力匯總表

3．3 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)分析

本節(jié)借助于MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN對平臺支持船改進后的結(jié)構(gòu)連接強度進行有限元分析。在邊界條件處理、載荷外力施加等內(nèi)容不發(fā)生變化下建立有限元模型并進行強度計算分析。

主要分析如下:

(1)通過有限元計算分析發(fā)現(xiàn)，工況13和工況14處的甲板、船底、舷側(cè)外板和艙壁板的應(yīng)力計算值要比工況1和工況2計算出的結(jié)果要大，同時所有結(jié)構(gòu)的計算值均小于許用應(yīng)力。這一情況說明改進后的結(jié)構(gòu)強度依然滿足規(guī)范要求，更重要的是能夠減輕船體重量。

(2)有限元計算分析能夠全面地反映出整條船的結(jié)構(gòu)強度，這也為設(shè)計和建造奠定基礎(chǔ)。同時可以對船舶進行結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化，然后進行結(jié)構(gòu)強度分析研究，最終優(yōu)化船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4 結(jié)論

通過有限元軟件 MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN進行總縱強度分析計算，在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，調(diào)整船舶結(jié)構(gòu)，降低船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力，優(yōu)化船舶結(jié)構(gòu);經(jīng)過有限元模型計算后，優(yōu)化后的全船結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力相對優(yōu)化前降低明顯，所有工況下主船體各部分的應(yīng)力計算值均小于許用應(yīng)力，船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布較為均勻，達到了支持船結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的要求，在結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求的前提下，減輕了船體的結(jié)構(gòu)重量。

［1］ 高茂進．108 m甲板貨船總縱強度直接計算分析［J］．江蘇船舶，2014，31(3):12-13．

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