吊裝狀態(tài)下的重吊船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

摘 要：重吊船在吊裝過程中，考慮貨物和波浪載荷的影響，需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。本文以一艘14000t單艙大開口重吊船為研究對象，該船右舷配有2臺(tái)1500t的克令吊，聯(lián)吊能力可達(dá)3000t，聯(lián)吊時(shí)需要使用輔助浮箱系統(tǒng)。采用挪威船級(jí)社的SASAM軟件對整船有限元模型進(jìn)行水動(dòng)力和有限元分析，獲得該船在吊裝狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為吊裝作業(yè)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：吊裝狀態(tài)；重吊船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

中圖分類號(hào)：U661.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）15-0190-02

1 水動(dòng)力分析

水動(dòng)力分析的目的是研究船體在海浪中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。以規(guī)則波中的響應(yīng)為基礎(chǔ)，采用譜分析方法，確定船體在給定時(shí)間內(nèi)航行于實(shí)際隨機(jī)波浪中的響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值。按照統(tǒng)計(jì)時(shí)間的長短，船體在不規(guī)則波中響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)可分為短期預(yù)報(bào)和長期預(yù)報(bào)。由于重吊船吊裝作業(yè)時(shí)間不長，且有一定的海況要求限制，長期預(yù)報(bào)方法并不適合該計(jì)算工況，有必要對該船在典型海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行短期預(yù)報(bào)。利用波浪誘導(dǎo)船體運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù)，結(jié)合由重吊船起吊作業(yè)的海況要求確定的海浪譜，計(jì)算得到相應(yīng)的響應(yīng)譜，從而預(yù)報(bào)不規(guī)則波中的船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

運(yùn)用三維匯源理論預(yù)報(bào)船舶在不規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)及波浪載荷的響應(yīng)時(shí)，作以下基本假設(shè)。

（1）將船舶視為時(shí)間恒定的線性系統(tǒng)。

（2）認(rèn)為波浪和船體運(yùn)動(dòng)是各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過程。

（3）將風(fēng)浪譜和船舶響應(yīng)譜視為窄帶譜。

1.1 傳遞函數(shù)

1.2 短期預(yù)報(bào)

在窄帶譜假定下，短期海況的波浪波幅、波浪誘導(dǎo)船體運(yùn)動(dòng)幅值、載荷幅值及應(yīng)力幅值均服從Rayleigh分布，對應(yīng)的概率密度函數(shù)為：

不同浪向下，垂蕩、縱搖和橫搖的響應(yīng)譜吻合程度均低，表明了在吊裝狀態(tài)下，浪向?qū)Υw運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響較大。船舶在橫浪（浪向角為90°）下作業(yè)時(shí)，垂蕩和橫搖響應(yīng)達(dá)到最大；在迎浪（浪向角為180°）下作業(yè)時(shí)，縱搖響應(yīng)達(dá)到最大。在各浪向下，垂蕩和縱搖最大響應(yīng)集中出現(xiàn)在0.7rad/s附近，橫搖最大響應(yīng)集中出現(xiàn)在0.4rad/s附近。根據(jù)船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的短期預(yù)報(bào)結(jié)果，重吊船在吊裝作業(yè)時(shí)，已知主浪向的情況下，可以選擇合適的船艏向避免不利運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生。

在作業(yè)狀態(tài)下，波浪誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)在10h以內(nèi)的短期預(yù)報(bào)值不超過在超越概率10-4下的短期預(yù)報(bào)值；波浪誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)在超越概率10-3下的短期預(yù)報(bào)值與在預(yù)報(bào)時(shí)間3h下的短期預(yù)報(bào)值相差不大。

2 有限元分析

運(yùn)用有限元法進(jìn)行波浪載荷下整船分析時(shí)，將動(dòng)態(tài)問題視為準(zhǔn)靜態(tài)問題。在線性范圍內(nèi)計(jì)算波浪載荷，存在兩級(jí)平衡：①重力與靜水浮力的平衡；②慣性力與波浪載荷的平衡。重力與靜水浮力的不平衡將會(huì)對船體產(chǎn)生附加力矩，對全船的應(yīng)力和變形有影響。針對重力與靜水浮力的平衡問題，ABS提出了以下要求。

（1）排水量與重量相差±1%；

（2）浮心和重心位置相差±1%船長范圍內(nèi)。

波浪載荷與慣性力的平衡由WADAM模塊自動(dòng)進(jìn)行修正計(jì)算，并自動(dòng)傳遞到結(jié)構(gòu)有限元模型的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，從而得到全船外力系的平衡。為了準(zhǔn)確地計(jì)算波浪載荷和慣性力，需要建立正確細(xì)致的質(zhì)量模型，真實(shí)反映實(shí)船的質(zhì)量分布特征，保證質(zhì)量沿船長和高度的分布、質(zhì)量總值和質(zhì)心與實(shí)船基本一致。由于在建立結(jié)構(gòu)有限元模型時(shí)，一般忽略不參與強(qiáng)度作用的貨物、設(shè)備、壓載水以及一些次要構(gòu)件，而未考慮其質(zhì)量。為此需要參照實(shí)船重量分布資料，調(diào)整結(jié)構(gòu)模型各分段的材料密度值。除了建立主船體模型以外，還需考慮浮箱、克令吊和貨物，對于非結(jié)構(gòu)質(zhì)量，以梁單元模擬浮箱懸臂和克令吊吊臂，板單元模擬浮箱和克令吊基座，質(zhì)量點(diǎn)單元模擬貨物和壓載。

通過水動(dòng)力分析確定設(shè)計(jì)波后，將船體置于選定的設(shè)計(jì)波下，利用線性靜力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)分析模塊SESTRA計(jì)算整船的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形，然后用圖形處理模塊XTRACT將計(jì)算結(jié)果以圖形方式顯示出來。

對于采用載荷直接計(jì)算和全船有限元分析方法得到的應(yīng)力，DNV詳細(xì)地制定了CSA-2級(jí)船體強(qiáng)度評估標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定其許用等效應(yīng)力為0.95倍的材料屈服應(yīng)力，據(jù)此對船體各主要構(gòu)件進(jìn)行安全性評估。

3 結(jié) 論

各計(jì)算工況下的高應(yīng)力部位主要集中出現(xiàn)在貨艙中部的主甲板、外底板、浮箱懸臂與主船體連接區(qū)域和克令吊基座區(qū)域等處。其中，克令吊基座區(qū)域的應(yīng)力最大，斜浪狀態(tài)時(shí)達(dá)到264MPa，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要給予足夠的重視。本船克令吊基座的材料選取厚為40mm和60mm的36號(hào)鋼級(jí)，并進(jìn)行了加強(qiáng)處理，重吊船在吊裝狀態(tài)下的船體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)

[1]張海彬，趙耕賢.水動(dòng)力分析在海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國海洋平臺(tái)，2008，23（1）：1～6.

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收稿日期：2018-4-23