考慮半潛式平臺(tái)變形的墊木優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉起成 蔡連財(cái) 劉旭

摘 要：半潛式平臺(tái)通常采用半潛船干拖的方式進(jìn)行長(zhǎng)距離遠(yuǎn)洋運(yùn)輸，平臺(tái)采用打橫裝的積載方案時(shí)，平臺(tái)旁通及立柱通常外伸于半潛船舷側(cè)，若采用常規(guī)等高度的墊木鋪設(shè)方式，忽略外伸結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的平臺(tái)變形對(duì)墊木壓力分布的影響，半潛船舷側(cè)附近平臺(tái)結(jié)構(gòu)以及墊木會(huì)發(fā)生損壞，從而影響平臺(tái)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)陌踩浴１疚奶岢鲆环N在等高度的墊木上添加變厚度三合板的方法，使得半潛式平臺(tái)的重量更加均勻的分布在墊木上，提高半潛式平臺(tái)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

關(guān)鍵詞：半潛式平臺(tái);半潛船;墊木優(yōu)化設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：U693 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2021）02-0111-03

半潛式平臺(tái)通常采用半潛船干拖的方式遠(yuǎn)洋運(yùn)輸，其重量通常達(dá)到數(shù)萬(wàn)噸，且其通常打橫積載于半潛船船中或者船中偏船首位置。半潛式平臺(tái)的旁通長(zhǎng)度通常遠(yuǎn)大于半潛船的船寬，且平臺(tái)立柱通常部分或者全部懸出半潛船舷外，平臺(tái)的大部分重量通過(guò)立柱傳導(dǎo)下來(lái)，使得平臺(tái)在靜載下出現(xiàn)中拱現(xiàn)象，如圖1所示。常規(guī)等高度的墊木鋪設(shè)方式假定貨物為剛體，沒(méi)有考慮貨物的變形對(duì)墊木應(yīng)力分布的影響[1]。通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)，在等高度的墊木鋪設(shè)方式下，靜載工況下會(huì)出現(xiàn)半潛船船中部分墊木受載較小甚至不受載而舷側(cè)部分墊木過(guò)載的情況，導(dǎo)致舷側(cè)部分墊木損壞，貨物局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，進(jìn)而影響貨物的運(yùn)輸安全。

本文以某5萬(wàn)噸半潛船裝載某半潛式平臺(tái)為例，通過(guò)有限元分析的方式，在等高度墊木方案的基礎(chǔ)上提出了一種新的優(yōu)化方法，使得半潛式平臺(tái)等外伸較多的重大件貨物的重量能更加均勻的分布到墊木上，從而提高半潛式平臺(tái)等外伸較多的重大件貨物遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

1等高度墊木設(shè)計(jì)

某5萬(wàn)噸半潛船裝載某半潛式平臺(tái)積載方案示意圖如圖2所示。根據(jù)以下原則設(shè)計(jì)等高度墊木[1]：

（1）采用軟木類(lèi)型的墊木;

（2）根據(jù)貨物底部強(qiáng)結(jié)構(gòu)的位置鋪設(shè)相應(yīng)的墊木，一般首先考慮貨物的縱橫艙壁位置，其次考慮縱向桁材、實(shí)肋板等強(qiáng)結(jié)構(gòu)處，同時(shí)應(yīng)考慮避開(kāi)犧牲陽(yáng)極，海底閥箱邊緣等突出物;

（3）根據(jù)不同的作業(yè)海況，不同的墊木高度采用不同的墊木固定方式，通常采用扁鐵和角鋼焊接對(duì)木頭進(jìn)行固定，保證裝卸貨及航行過(guò)程中木頭一直保持在原位置;

（4）根據(jù)貨物積載在半潛船上的重心位置，將墊木均勻的布置在重心位置附近較大區(qū)域，防止偏心壓力造成局部墊木受力過(guò)大導(dǎo)致?lián)p壞。

根據(jù)以上原則鋪設(shè)墊木，如圖3所示，按此布置方案，假定貨物為剛體，核算出墊木的最大靜壓力為0.9N/mm2。

2 等高度墊木強(qiáng)度分析

上文中等高度墊木初步設(shè)計(jì)方案中未考慮貨物變形對(duì)墊木壓力的影響，本章根據(jù)上文中鋪設(shè)的等高度墊木，采用有限元方法對(duì)墊木的應(yīng)力分布進(jìn)行分析。本文假定半潛船為剛體，即不考慮半潛船船體變形的影響。

2.1 有限元模型

采用有限元軟件GeniE 64對(duì)半潛式平臺(tái)進(jìn)行有限元建模，對(duì)外板、縱橫艙壁、強(qiáng)肋板、桁材的腹板等采用板單元模擬，桁材上的面板及扶強(qiáng)材等采用梁?jiǎn)卧M，對(duì)大型設(shè)備等采用質(zhì)量單元模擬，質(zhì)量單元與平臺(tái)結(jié)構(gòu)之間采用剛性梁連接[2-3]。通過(guò)調(diào)整各部分結(jié)構(gòu)的密度，將平臺(tái)有限元模型的重量重心調(diào)至與實(shí)際基本一致。平臺(tái)總重量約為25000ton，有限元模型如圖4所示。

采用板單元對(duì)墊木進(jìn)行模擬，板厚設(shè)為墊木的寬度，墊木模型如圖5所示：

考慮到墊木采用了扁鐵進(jìn)行固定，對(duì)模擬墊木的板單元下沿六自由度進(jìn)行約束，如圖6所示。

2.2 結(jié)果與分析

在重力作用下，平臺(tái)的變形云圖如圖7所示，從圖中可以看出，平臺(tái)在自重下發(fā)生中拱;墊木的壓力分布如圖8所示，從圖中可以看出，中間很大一部分墊木受載很小甚至不受載，而靠近半潛船舷側(cè)部分墊木壓力過(guò)大，最大達(dá)到12.45N/mm2，遠(yuǎn)超規(guī)范[4]中規(guī)定的墊木許用壓力2.0N/mm2。墊木受載嚴(yán)重不均，會(huì)對(duì)貨物及墊木的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響，需要采取適當(dāng)措施使得平臺(tái)重量更加均勻的分布到墊木上。

3 墊木優(yōu)化方法介紹

本章介紹一種方法，考慮外伸貨物變形對(duì)墊木壓力分布的影響。通過(guò)預(yù)先調(diào)整墊木高度，即在等高度的墊木方案基礎(chǔ)上增加變高度的三合板，達(dá)到貨物靜載荷重新分配，使得貨物重量更加均勻的分布到墊木上。

3.1 模型調(diào)整

為了使得貨物的重量更加均勻地分配到墊木上，可以假定貨物放置在非常柔軟的支撐上，貨物在自重下發(fā)生變形。為此，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，將墊木的彈性模量降低一千倍。

3.2 約束及載荷

為了防止貨物在XY平面移動(dòng)，除了對(duì)模擬墊木的板單元下沿六自由度進(jìn)行約束，還需對(duì)平臺(tái)旁通上選取兩個(gè)點(diǎn)施加約束，一個(gè)點(diǎn)約束x和y向，另外一個(gè)點(diǎn)約束y向，如圖9所示。

僅考慮重力加速度，g取9.81 m/s2。

3.3 計(jì)算結(jié)果

在重力作用下，平臺(tái)在非常柔軟的支撐作用下的變形如圖10所示。墊木的壓力分布如圖11所示，從圖中可以看出，舷側(cè)墊木壓力稍大于中間部分墊木壓力，但總體墊木受力非常均勻，約為0.93N/mm2，和理論評(píng)估值非常接近，證明了有限元方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.4 墊木高度調(diào)整

圖中紅色和藍(lán)色曲線分別表示的是左舷和右舷旁通的變形曲線。為了模擬墊木沿著旁通縱向的高度變化，選用不同厚度的三合板鋪設(shè)在原等高度的墊木上，按工程經(jīng)驗(yàn)，選用4mm，6mm，9mm，12mm等四個(gè)厚度的三合板進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以保證設(shè)計(jì)值與理論值之間誤差不大于4mm。選用過(guò)小的厚度梯度對(duì)于實(shí)際工程不太現(xiàn)實(shí)，選用過(guò)大的厚度梯度將會(huì)導(dǎo)致墊木壓力分布出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象?；谄脚_(tái)旁通的變形曲線，可以設(shè)計(jì)出沿著平臺(tái)縱向三合板分布的高度曲線，如圖12中綠色折線所示。旁通中間附近采用較大的厚度可以使得更多載荷分配到船中處的墊木上，減少舷側(cè)及外伸部分下墊木承受的載荷。

4結(jié)果與討論

本文討論了半潛式平臺(tái)在遠(yuǎn)洋運(yùn)輸過(guò)程中，若采用常規(guī)的等高度的墊木方案，會(huì)出現(xiàn)墊木應(yīng)力分布嚴(yán)重不均，從而導(dǎo)致墊木和貨物局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足而發(fā)生損壞。為此提出一種墊木優(yōu)化方法，即在等高度的墊木方案基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，基于平臺(tái)在自重作用下位于柔軟支撐上產(chǎn)生的變形形狀，設(shè)計(jì)出三合板沿著平臺(tái)旁通縱向的高度變化曲線。參照此曲線形狀選擇合適的厚度梯度鋪設(shè)三合板后，貨物坐在變高度的墊木上，靜載作用下重新較為均勻的分布到墊木上，提升了貨物遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)陌踩?，?duì)于類(lèi)似外伸較多的貨物在進(jìn)行遠(yuǎn)洋運(yùn)輸墊木設(shè)計(jì)時(shí)具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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[3]梁學(xué)先，孫偉英，樊之夏，黃山田. 深水半潛式平臺(tái)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[C]//第十五屆中國(guó)海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集：495-498.

[4]DNV-GL Marine Operations and Marine Warranty DNVGL-ST-N001，2020.