自升式碎石鋪設(shè)整平船主船體有限元分析

李衛(wèi)華，崔兵兵

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前言

自升式碎石鋪設(shè)整平船是上海船舶研究設(shè)計(jì)院為中交一航局研發(fā)設(shè)計(jì)的專用海底沉管碎石墊層鋪設(shè)和整平的工程船。 該船具有能自由升降的樁腿，樁腿插入海底后主船體能沿樁腿升至海面以上預(yù)定高度進(jìn)行碎石鋪設(shè)和整平作業(yè)，能有效降低海上風(fēng)浪環(huán)境載荷對(duì)船體的影響，實(shí)現(xiàn)較高的鋪設(shè)和整平施工精度。 自升式碎石鋪設(shè)整平船在船體中央設(shè)有一個(gè)超大尺度月池，拋石和整平設(shè)備通過縱向移動(dòng)行車和橫向移動(dòng)小車，實(shí)現(xiàn)在月池范圍內(nèi)拋石和整平作業(yè)。 得益于超大型月池，在不移動(dòng)船身情況下，其碎石鋪設(shè)整平作業(yè)范圍達(dá)2500 m2，相當(dāng)于6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)籃球場(chǎng)大小，作業(yè)效率大大提高。該船在設(shè)計(jì)、建造方面均實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，尤其是施工作業(yè)管理系統(tǒng)成功突破國外技術(shù)封鎖，實(shí)現(xiàn)了整套系統(tǒng)國產(chǎn)化。 目前，自升式碎石鋪設(shè)整平船作為超級(jí)工程深中通道建設(shè)的核心裝備，已于2019年8月服役。

自升式碎石鋪設(shè)整平船的總體布置如圖1 和圖2 所示。 主船體由上、下兩層“回”字型結(jié)構(gòu)組成。主甲板至船體基線高度范圍內(nèi)的箱型梁構(gòu)成下層“回”字結(jié)構(gòu)，中間甲板至頂甲板高度范圍內(nèi)的上層建筑構(gòu)成上層“回”字結(jié)構(gòu)，兩層“回”字結(jié)構(gòu)之間用垂向支柱連接。 該船配備4 條樁腿，截面為圓柱型，采用齒輪齒條式抬升，底部無樁靴。 “回”字主船體結(jié)構(gòu)的4 個(gè)角隅區(qū)域設(shè)置圍阱，主甲板以上的圍阱區(qū)域設(shè)置抬升塔，內(nèi)設(shè)鎖緊裝置和抬升系統(tǒng)裝置。

圖1 頂甲板布置圖

圖2 總體側(cè)視圖

自升式碎石鋪設(shè)整平船總長98.7 m，型寬63.3 m，型深6.5 m，中部月池開口為70.5 m×47.3 m，每條樁腿總長75 m， 最大作業(yè)水深35 m。 該船入CCS 級(jí)，按照CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》（2016）進(jìn)行設(shè)計(jì)。

自升式碎石鋪設(shè)整平船在鋪設(shè)和整平作業(yè)時(shí)，船體處于站立狀態(tài)。 此時(shí)，船體完全抬離水面，除受到重力和鋪設(shè)、整平設(shè)備在甲板上產(chǎn)生的作業(yè)載荷外，船體還受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的共同作用，整個(gè)船體的總體受力狀態(tài)十分復(fù)雜，用規(guī)范公式校核構(gòu)件強(qiáng)度已不合理。 同時(shí)，位于4 個(gè)角隅的圍阱和抬升塔是本船的關(guān)鍵區(qū)域，該區(qū)域結(jié)構(gòu)與樁腿直接接觸，是否具有足夠的剛度和強(qiáng)度來抵抗和傳遞樁腿與船體之間的載荷， 是設(shè)計(jì)者需要重點(diǎn)關(guān)注的。 因此為考察主船體結(jié)構(gòu)在復(fù)雜受力狀態(tài)下的總體強(qiáng)度和局部強(qiáng)度，確定各部位的構(gòu)件尺寸，需進(jìn)行全船有限元分析計(jì)算。 另外，為保證船上的整平系統(tǒng)設(shè)備達(dá)到預(yù)期的整平精度要求，需要考察船體剛度。 為保障船舶在站立狀態(tài)下的安全，需要考察預(yù)壓載狀態(tài)下樁腿底部的垂向支反力是否滿足要求。 上述設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題都可以通過全船有限元分析計(jì)算來解決。

1 計(jì)算依據(jù)

1.1 計(jì)算工況

根據(jù)CCS 規(guī)范要求， 船體主要結(jié)構(gòu)的尺寸，應(yīng)基于所有預(yù)期工況下的載荷分布，用直接計(jì)算方法確定。 自升式碎石鋪設(shè)整平船在站立狀態(tài)下至少應(yīng)考慮3 個(gè)設(shè)計(jì)工況：作業(yè)工況、升降工況和自存工況。 作業(yè)工況是指在規(guī)定的環(huán)境條件下滿載并在預(yù)定標(biāo)高進(jìn)行相關(guān)作業(yè)時(shí)的狀態(tài)；升降工況是指進(jìn)行預(yù)壓載及升、降船體時(shí)的狀態(tài)；自存工況是指極端環(huán)境條件下不能繼續(xù)作業(yè)，但可通過調(diào)整可變載荷或放棄部分載荷以及其他措施以達(dá)到較為安全的狀態(tài)。

作業(yè)工況又分為特種作業(yè)工況和正常作業(yè)工況2 種。 特種作業(yè)工況是指在作業(yè)設(shè)備允許的最大環(huán)境載荷條件下進(jìn)行碎石鋪設(shè)和整平作業(yè)時(shí)的狀態(tài)。正常作業(yè)工況是指在規(guī)范允許的最大環(huán)境載荷條件下進(jìn)行其他操作時(shí)的狀態(tài)。 兩者的主要區(qū)別是：特種作業(yè)工況，最大風(fēng)速為17.07 m/s（33.2 kn）；正常作業(yè)工況，最大風(fēng)速可為36 m/s（70 kn）。

根據(jù)船東要求，為提高環(huán)境適應(yīng)能力和作業(yè)效率，自升式碎石鋪設(shè)整平船應(yīng)具有4 角預(yù)壓載和對(duì)角預(yù)壓載兩種預(yù)壓載能力。 因此該船升降工況又可分為3 種情況：4 角預(yù)壓載工況、對(duì)角預(yù)壓載工況和正常升降工況。

綜上所述，根據(jù)自升式碎石鋪設(shè)整平船的使用情況，選取了以下6 個(gè)設(shè)計(jì)工況進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和分析：1）自存工況；2）特種作業(yè)工況；3）正常作業(yè)工況；4）4 角預(yù)壓載工況；5）對(duì)角預(yù)壓載工況；6）正常升降工況。

1.2 計(jì)算載荷

根據(jù)CCS 規(guī)范要求，每種設(shè)計(jì)工況均應(yīng)考慮靜載工況和靜載荷與環(huán)境載荷相組合的工況。 環(huán)境載荷是指各工況允許的最大風(fēng)、浪、流載荷，以及由環(huán)境載荷與船體相互作用產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)放大和P-Δ 載荷。

靜載荷主要包括船體重量、 所有固定裝置、供應(yīng)品和壓載重量。 作業(yè)工況的靜載荷還包括作業(yè)載荷，即作業(yè)設(shè)備作用在船體上的載荷。

CCS 規(guī)范對(duì)環(huán)境載荷中的最小設(shè)計(jì)風(fēng)速有明確要求。 自存工況的最小設(shè)計(jì)風(fēng)速應(yīng)不小于51.5 m/s（100 kn），作業(yè)工況的最小風(fēng)速應(yīng)不小于36 m/s（70 kn）。

為了考慮所有的最不利情況，計(jì)算時(shí)假定所有環(huán)境載荷（風(fēng)、浪和流）同時(shí)作用在同一方向上。 考慮到船體的對(duì)稱性，對(duì)于每個(gè)設(shè)計(jì)工況，不同環(huán)境載荷方向?yàn)?°、34°、60°、90°、120°、146°、180°， 如圖3 所示。

圖3 環(huán)境載荷方向示意圖

1.3 強(qiáng)度評(píng)估準(zhǔn)則

自升式碎石鋪設(shè)整平船的船體主要結(jié)構(gòu)均采用H36 高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度為355 N/mm2。船體主要結(jié)構(gòu)在所有靜載荷工況和組合載荷工況船體結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度的許用應(yīng)力和屈曲強(qiáng)度的安全系數(shù)規(guī)定如表1 所示。

表1 板材、扶強(qiáng)材屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度準(zhǔn)則

2 全船有限元分析計(jì)算模型

全船有限元模型如圖4 所示。 有限元模型包括整個(gè)自升式碎石鋪設(shè)整平船的主要船體結(jié)構(gòu)及樁腿。 模型中，所有的主要構(gòu)件，例如甲板板、船底板以及艙壁板等均模擬為4 節(jié)點(diǎn)或3 節(jié)點(diǎn)板單元；起主要支撐作用的強(qiáng)橫梁和縱桁的腹板等均模擬為4節(jié)點(diǎn)或3 節(jié)點(diǎn)板單元；甲板縱骨、支柱、圍壁扶強(qiáng)材、船底縱骨以及強(qiáng)橫梁、縱桁的面板等均模擬為2節(jié)點(diǎn)梁單元。 樁腿采用2 節(jié)點(diǎn)梁單元模擬，樁腿長度為75 m。

圖4 全船有限元模型

有限元模型采用右手笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)。 X 軸沿船長方向由船尾指向船首，Y 軸沿船寬方向由右舷指向左舷，Z 軸則沿垂向由船底指向甲板。

有限元模型的單元網(wǎng)格按照骨材間距進(jìn)行劃分。 有限元模型中構(gòu)件尺寸源于相應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖，采用實(shí)際建造厚度。 模型中船體鋼料的物理參數(shù)楊氏模量取2.06×105（N/mm2）、泊松比取0.3。

為了將樁腿上的環(huán)境載荷更加真實(shí)地傳遞給船體結(jié)構(gòu)，有限元模型還模擬了整個(gè)抬升系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，如圖5（a）所示。 同時(shí)有限元模型還包含了與樁腿抬升系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)相連的圍阱結(jié)構(gòu)和抬升塔結(jié)構(gòu)，如圖5（b）所示。

圖5 抬升框架有限元模型

2.1 邊界條件及耦合關(guān)系

根據(jù)CCS 規(guī)范要求，有限元模型在4 根樁腿底部（即泥面以下3 m）的節(jié)點(diǎn)上加載簡支邊界條件。同時(shí)，為正確模擬樁腿和抬升系統(tǒng)框架之間的接觸關(guān)系，有限元模型在樁腿和抬升系統(tǒng)框架之間節(jié)點(diǎn)的自由度耦合關(guān)系如表2 所示。

表2 樁腿與抬升框架間耦合自由度

2.2 模型計(jì)算載荷

2.2.1 環(huán)境載荷

每個(gè)工況的環(huán)境載荷按照相應(yīng)環(huán)境條件（如表3 所示）進(jìn)行計(jì)算并加載到有限元模型中。風(fēng)載荷作用于水面以上的樁腿、船體和設(shè)備上，海浪和海流載荷則作用在水面以下泥面以上的樁腿上。 加載環(huán)境載荷時(shí)，按照等效原則對(duì)載荷作用點(diǎn)的位置和大小進(jìn)行調(diào)整。 等效原則是：水平載荷對(duì)樁腿底部（泥下3 m 處）的彎矩保持不變。

表3 各工況的環(huán)境條件

2.2.2 靜載荷

作用在船體結(jié)構(gòu)上的靜載荷可分為固定重量和可變重量。

固定重量為7348 t。 有限元模型中，固定重量的加載分為兩部分。 一部分為大型設(shè)備重量，如起重機(jī)、定位錨機(jī)、拋石系統(tǒng)中的行走行車和皮帶等等，通過在設(shè)備所在區(qū)域施加質(zhì)量點(diǎn)或垂向力來實(shí)現(xiàn)。 固定重量中剩下的另一部分重量，可通過調(diào)整結(jié)構(gòu)模型的密度來實(shí)現(xiàn)。 總之，應(yīng)盡量使模型重量與實(shí)際重量的大小和分布都相吻合。

可變重量主要是指油、 水以及壓載水重量，其隨著工況不同而不同。 各工況的可變重量如表4 所示。

表4 各工況的可變重量 單位：t

作用在樁腿上的靜載荷為樁腿自身重量和樁腿受到的浮力。 為使計(jì)算更加準(zhǔn)確，樁腿上的浮力應(yīng)根據(jù)不同工況、 不同環(huán)境載荷方向分別進(jìn)行加載。

2.2.3 作業(yè)載荷

模型中的作業(yè)載荷主要考慮特種作業(yè)工況的受力。 特種作業(yè)工況下，自升式碎石鋪設(shè)整平船的主要作業(yè)設(shè)備是拋石行走行車和行走小車，參見圖1。 拋石行走行車橫跨月池，沿位于頂甲板月池兩側(cè)的縱向行車軌道移動(dòng)。 拋石行走小車位于行走行車上， 沿位于行走行車上表面的橫向行車軌道移動(dòng)。拋石行走小車上裝有垂向的拋石管，拋石管下端配備整平裝置。 拋石行走行車和行走小車在縱向和橫向的移動(dòng)，可以完成整個(gè)月池范圍內(nèi)的海底碎石鋪設(shè)和整平作業(yè)。 特種作業(yè)工況的作業(yè)載荷主要由拋石行走行車、行走小車及小車上設(shè)備產(chǎn)生的重力以及風(fēng)、浪、流作用在拋石管上的環(huán)境載荷。 這些載荷最終都通過拋石行走行車縱向軌道上的輪壓，作用于縱向頂甲板上。

特種作業(yè)過程中， 拋石行走行車和行走小車的位置是變化的， 由此產(chǎn)生的輪壓也隨著設(shè)備位置的變化而變化。 有限元計(jì)算中需考慮對(duì)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最不利的情況， 即假設(shè)拋石行走行車位于船中，且小車橫向移動(dòng)到最左舷的位置。 拋石行走行車的輪子布置以及有限元模型中的輪壓加載如圖6 所示。

2.3 模型計(jì)算載荷

根據(jù)CCS 規(guī)范要求， 考慮到不同的環(huán)境條件、載荷組合以及環(huán)境載荷方向，有限元模型中的計(jì)算載荷如表5 所示。

表5 船體站立狀態(tài)有限元模型計(jì)算載荷

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 屈服強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

各工況下，船體主要結(jié)構(gòu)的最大相當(dāng)應(yīng)力如表6 所示， 計(jì)算結(jié)果顯示船體主要結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

如圖7 所示（自存工況，90°浪向）的全船相當(dāng)應(yīng)力分布圖可知，船體結(jié)構(gòu)中，主甲板、圍阱以及抬升塔圍壁板應(yīng)力較高的部位主要集中在中部月池的4個(gè)角隅區(qū)域。 另外，靠近圍阱和抬升塔區(qū)域的所有船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平均高于其他區(qū)域的船體結(jié)構(gòu)。 頂甲板結(jié)構(gòu)在船中區(qū)域的應(yīng)力水平也較高。 這些應(yīng)力較高的區(qū)域在進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要注意適當(dāng)加強(qiáng)。

圖7 全船相當(dāng)應(yīng)力分布圖

所有環(huán)境載荷中風(fēng)載荷對(duì)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響最大。 從表6 可知，正常作業(yè)工況的應(yīng)力水平比特種作業(yè)工況要高，這是因?yàn)槠滹L(fēng)載荷更大。 在所有計(jì)算工況中， 正常升降工況的應(yīng)力水平最小，這是因?yàn)槠洵h(huán)境載荷中的風(fēng)速、波高都較小。

表6 船體主要結(jié)構(gòu)相當(dāng)應(yīng)力最大值 單位：N/mm2

自存工況是最危險(xiǎn)工況之一，因?yàn)槠洵h(huán)境載荷中的風(fēng)載荷是最大的。 但自升式碎石鋪設(shè)整平船由于船體中部開有巨大的月池，船體結(jié)構(gòu)的剛度較常規(guī)船要弱很多，因此在所有計(jì)算工況中，對(duì)角預(yù)壓載工況的應(yīng)力水平最高。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，還要特別注意對(duì)角預(yù)壓載工況的應(yīng)力校核。

3.2 屈曲強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

屈曲強(qiáng)度計(jì)算參照CCS《海洋工程結(jié)構(gòu)物屈曲強(qiáng)度評(píng)估指南》（2015）的相關(guān)要求進(jìn)行，若滿足1/γC≤1/F.S.，則說明加筋板格（板和筋）屈曲強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，γC為結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲失效時(shí)的應(yīng)力倍增因子，F(xiàn).S.為規(guī)范規(guī)定的屈曲安全系數(shù)。

加筋板格的1/γC值采用CCS 編制的HCSRDSA（1.3.1）軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表7 所示。計(jì)算結(jié)果顯示船體主要結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

表7 主要船體結(jié)構(gòu)加筋板格的1/γC 最大值

從上述計(jì)算結(jié)果可知，在各工況下，頂甲板結(jié)構(gòu)的屈曲利用系數(shù)1/γC較大，相較于其他結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生屈曲失效。 這是因縱向頂甲板結(jié)構(gòu)受到拋石設(shè)備產(chǎn)生的垂向輪壓載荷后，發(fā)生垂向彎曲所受壓應(yīng)力較大而引起的。 因此，在縱向頂甲板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)特別關(guān)注屈曲強(qiáng)度對(duì)頂甲板結(jié)構(gòu)的影響。

3.3 船體變形結(jié)果

除船體強(qiáng)度外，設(shè)計(jì)過程中船體剛度也需要考慮，避免發(fā)生較大的變形。 另外，本船的整平系統(tǒng)對(duì)精度要求很高， 船體結(jié)構(gòu)尤其是縱向頂甲板結(jié)構(gòu)，如果垂向變形量過大，將會(huì)對(duì)整平系統(tǒng)的精度造成較大的影響。 在設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)控制拋石行車縱向軌道范圍內(nèi)頂甲板結(jié)構(gòu)相對(duì)于軌道兩端抬升塔結(jié)構(gòu)的垂向相對(duì)變形量最大值。

特種作業(yè)工況的船體結(jié)構(gòu)垂向變形參見圖8。從圖8 可知船體結(jié)構(gòu)的最大垂向變形位于縱向頂甲板結(jié)構(gòu)的船中區(qū)域。 計(jì)算結(jié)果顯示拋石行車縱向軌道下支撐結(jié)構(gòu)的垂向相對(duì)變形最大值為-80 mm。由于拋石管底部的整平裝置在高度上具有一定的調(diào)整能力，最大調(diào)整幅度大于80 mm，因此能夠補(bǔ)償船體結(jié)構(gòu)垂向變形產(chǎn)生的影響，保證整平精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖8 全船垂向變形分布圖

3.4 樁腿底部最大支反力結(jié)果

根據(jù)CCS 規(guī)范要求，在預(yù)壓載工況，應(yīng)使每一條樁腿上支反力大于其他各種工況的樁腿最大支反力。 如果設(shè)計(jì)預(yù)壓載水量不夠，預(yù)壓載工況就無法產(chǎn)生足夠的垂向支反力，船舶在站立狀態(tài)下的安全無法得到保障。 增加預(yù)壓載水量需要增大壓載艙的容積，對(duì)總體布置產(chǎn)生一定的影響。 為考察設(shè)計(jì)預(yù)壓載水量是否足夠，從全船有限元計(jì)算結(jié)果中提取每個(gè)工況下樁腿底部的最大垂向支反力， 如表8所示。

表8 各計(jì)算工況樁腿底部垂向支反力 單位：kN

從表8 可以看出，4 角預(yù)壓載和對(duì)角預(yù)壓載工況下樁腿的支反力均大于其他各種工況的樁腿最大支反力29917 kN，說明本船的設(shè)計(jì)預(yù)壓載水量是滿足要求的。

4 結(jié)語

自升式碎石鋪設(shè)整平船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估非常復(fù)雜，涉及的設(shè)計(jì)工況、載荷種類繁多。 通過全船有限元計(jì)算分析，比對(duì)各種工況結(jié)果的異同，找出各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的主導(dǎo)工況，并對(duì)高應(yīng)力的重點(diǎn)區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，計(jì)算出船體垂向變形量和樁腿底部最大支反力， 為判斷整平系統(tǒng)精度提供設(shè)計(jì)依據(jù)，保障船舶在站立狀態(tài)下的安全性。 通過全船有限元計(jì)算和分析，為今后同類型船舶的設(shè)計(jì)和建造積累了經(jīng)驗(yàn)，打下良好基礎(chǔ)。