4 400 t半潛式起重平臺(tái)駕駛室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

李子凡，周喜寧，葛珅瑋，袁友華

(1.招商局郵輪制造有限公司，江蘇 南通 226000；2.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226000)

4 400 t半潛式起重平臺(tái)是為拆解老舊、閑置的海洋平臺(tái)而設(shè)計(jì)，其主體結(jié)構(gòu)由大小不同的2個(gè)浮筒、立柱以及上殼體組成，甲板上安裝有2臺(tái)最大起重能力2 200 t的吊機(jī)。

通常情況下，船舶及海洋平臺(tái)的駕駛室結(jié)構(gòu)均位于主船體之上，并無(wú)外懸形式，而該起重平臺(tái)為了提供更多甲板作業(yè)空間，甲板上結(jié)構(gòu)盡可能少的占用甲板面積，因此駕駛室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成部分懸出主船體的形式。并且根據(jù)船東使用需求，駕駛室與起重機(jī)基座相連，這就使得駕駛室的設(shè)計(jì)需要考慮起重機(jī)的作業(yè)影響。該平臺(tái)駕駛室獨(dú)特的外懸形式，以及起重機(jī)的特殊影響，使得其駕駛室設(shè)計(jì)區(qū)別于一般的駕駛室。為此，綜合考慮布置及起重載荷等影響，結(jié)合ABS船級(jí)社的規(guī)范[1]設(shè)計(jì)要求，對(duì)該半潛起重平臺(tái)的駕駛室關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用有限元方法對(duì)駕駛室整體進(jìn)行強(qiáng)度分析。

1 駕駛室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 駕駛室的布置

平臺(tái)主尺度參數(shù)見表1。

表1 4 400 t半潛起重平臺(tái)主尺度 m

根據(jù)總布置圖，4 400 t半潛式起重平臺(tái)的駕駛室位于主甲板的右舷艏部，駕駛室與右舷艏部的吊機(jī)基座相連，其位置示意見圖1。

圖1 駕駛室位置示意

起重平臺(tái)的主甲板距基線的高度為42.8 m，在駕駛室內(nèi)部設(shè)有一層升高平臺(tái)，距基線高度為44.3 m，駕駛室的頂部高度為48 m。駕駛室在船長(zhǎng)方向最大懸出距離為9 m，船寬方向最大懸出距離為4.5 m。由于其特殊的外懸形式，外懸支撐梁的結(jié)構(gòu)形式為駕駛室設(shè)計(jì)的重點(diǎn)；此外，考慮起重載荷對(duì)駕駛室與起重基座連接區(qū)域的影響，該區(qū)域結(jié)構(gòu)也應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

1.2 駕駛室構(gòu)件規(guī)格

駕駛室結(jié)構(gòu)主要包括駕駛室地面甲板、內(nèi)部升高平臺(tái)、駕駛室頂部甲板、外圍壁、內(nèi)壁板和支柱等。其各層甲板均為橫骨架式，骨材間距為750 mm，桁材間距2 250 mm。整個(gè)駕駛室結(jié)構(gòu)材料均為高強(qiáng)鋼AH36，構(gòu)件尺寸見表2。

表2 駕駛室構(gòu)件尺寸 mm

1.3 外懸支撐梁設(shè)計(jì)

駕駛室結(jié)構(gòu)靠中剖面位置沿船長(zhǎng)方向外懸距離為6.75 m，靠舷側(cè)部分最大外懸距離為9 m。外懸支撐梁沿船長(zhǎng)縱向布置，間距為2.25 m。

外懸距離為6.75 m的支撐梁采用T形梁，結(jié)構(gòu)形式見圖2，腹板尺寸為500 mm×12 mm，面板尺寸為200 mm×20 mm，懸臂梁根部腹板高度為650 mm，懸臂梁端部高度為400 mm。

圖2 長(zhǎng)度為6.75 m的支撐梁形式

為了減小結(jié)構(gòu)重量，外懸距離為9 m的支撐梁采用變截面梁，結(jié)構(gòu)形式見圖3。懸臂梁根部腹板高度為1 500 mm，端部腹板高度為400 mm，腹板高度線性變化，腹板厚度為12 mm，面板尺寸為200 mm×20 mm。為防止局部屈曲，在支撐梁根部設(shè)置扁鋼加強(qiáng)筋，尺寸為100 mm×12 mm，在支撐梁兩側(cè)間隔2 250 mm設(shè)置肘板。

圖3 長(zhǎng)度為9 m支撐梁形式

1.4 與起重機(jī)基座連接部位設(shè)計(jì)

由于駕駛室結(jié)構(gòu)板厚相對(duì)較薄，而起重機(jī)基座在吊裝作業(yè)時(shí)受力很大，若駕駛室結(jié)構(gòu)按照常規(guī)連接方式，直接焊接在基座圍壁上，起重基座上的應(yīng)力會(huì)直接傳遞到連接區(qū)域，導(dǎo)致連接部分應(yīng)力過(guò)大而遭受破壞。經(jīng)過(guò)計(jì)算對(duì)比，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)減弱結(jié)構(gòu)剛度可以有效降低該區(qū)域應(yīng)力，因此將駕駛室與起重基座連接處設(shè)計(jì)成“臺(tái)階”狀，見圖4，來(lái)降低該區(qū)域結(jié)構(gòu)剛度，減弱力的傳遞，從而降低該區(qū)域應(yīng)力。

圖4 連接區(qū)域的臺(tái)階狀設(shè)計(jì)

2 強(qiáng)度評(píng)估

采用有限元方法對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈服強(qiáng)度評(píng)估。由于駕駛室位于起重平臺(tái)的頂部，平臺(tái)整體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)有不可忽略的影響，因此在駕駛室結(jié)構(gòu)評(píng)估時(shí)，不能僅進(jìn)行局部模型計(jì)算，需考慮全船影響。這就需要將駕駛室模型放到全船有限元計(jì)算中。由于駕駛室位于平臺(tái)角隅，且長(zhǎng)度占總長(zhǎng)不足10%，因此認(rèn)為駕駛室對(duì)總體強(qiáng)度貢獻(xiàn)甚微，故全船模型中沒有建立駕駛室模型。為了將整船的結(jié)構(gòu)響應(yīng)傳遞至駕駛室，采用子模型方法，將駕駛室局部模型與部分全船模型拼接在一起，作為計(jì)算子模型，將全船有限元計(jì)算的載荷和節(jié)點(diǎn)位移施加到子模型對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。

建立駕駛室局部模型時(shí)，由于駕駛室的槽型內(nèi)圍壁僅作為分隔壁，不作為受力構(gòu)件，因此有限元模型中未體現(xiàn)該部分構(gòu)件。計(jì)算子模型見圖5，使用ABS船級(jí)社的OSAP軟件和FEMAP軟件進(jìn)行計(jì)算。

圖5 駕駛室有限元模型

由于全船有限元分析主要考慮靜水及波浪載荷對(duì)船體結(jié)構(gòu)的影響，并沒有考慮甲板載荷和起重載荷影響，因此需在子模型上額外增加上述載荷。此外，由于風(fēng)載荷相比于起重載荷為微小量，因此計(jì)算時(shí)沒有考慮風(fēng)載荷。

4 400 t半潛式起重平臺(tái)有4個(gè)設(shè)計(jì)工況：起居工況、遷移工況、起重工況、自存工況。分別計(jì)算駕駛室在靜載和組合載荷兩類工況中各設(shè)計(jì)工況下的屈服強(qiáng)度。

根據(jù)該船的甲板載荷圖，駕駛室地面甲板載荷取13.25 kN/m2，升高甲板載荷取5 kN/m2，頂部甲板載荷取7.5 kN/m2。

起重機(jī)基座在起重工況受力見表3，其受力方向示意見圖6。起重機(jī)在起重工況下，吊臂會(huì)360°旋轉(zhuǎn)，計(jì)算時(shí)吊臂初始位置設(shè)定為+Y方向，取吊臂從+Y方向開始順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)0°、45°、90°、135°、180°、225°、270 °、315°，共計(jì)8個(gè)角度作為典型計(jì)算位置，見圖7。

表3 起重機(jī)基座受力

圖6 基座受力坐標(biāo)系示意

圖7 吊臂8個(gè)典型計(jì)算位置

經(jīng)計(jì)算，駕駛室與主船體連接的肘板位置應(yīng)力過(guò)大，組合工況應(yīng)力高達(dá)430 MPa，因此將附近區(qū)域更換為EQ51鋼板，該型號(hào)鋼板許用應(yīng)力值為450 MPa。駕駛室其他結(jié)構(gòu)在靜載和組合工況中的應(yīng)力結(jié)果見表4、5，其中應(yīng)力結(jié)果為包絡(luò)值，代表靜態(tài)或動(dòng)態(tài)工況下所有設(shè)計(jì)工況的最大值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果所有構(gòu)件的UC值均小于1.0。因此，駕駛室結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

表4 駕駛室支柱最大應(yīng)力

表5 駕駛室板單元最大應(yīng)力

3 支柱的屈曲評(píng)估

駕駛室內(nèi)的支柱承受軸向壓力及彎矩，可能會(huì)發(fā)生屈曲，因此需要對(duì)支柱進(jìn)行屈曲校核。對(duì)于承受軸向壓縮和彎曲的管件，屈曲需要滿足[2]：

當(dāng)σa/σCA>0.15時(shí)，

(1)

當(dāng)σa/σCA≤0.15時(shí)，

(2)

式中:σa為軸向壓縮應(yīng)力，N/cm2；σby、σbz為構(gòu)件關(guān)于y軸、z軸的彎曲應(yīng)力，N/cm2；σCA為臨界軸向壓縮應(yīng)力，N/cm2；σCBy、σBCz為關(guān)于y軸、z軸的臨界彎曲應(yīng)力，N/cm2；σEy、σEz為關(guān)于y軸、z軸的歐拉屈服應(yīng)力，π2E/(kL/r)2，N/cm2；Cmy、Cmz為關(guān)于y軸、z軸的力矩系數(shù)，通常取0.85；η1、η2為拉伸和彎曲的許用系數(shù)，靜載工況取0.6，組合工況取0.8。

駕駛室圓管支柱規(guī)格為半徑×壁厚=141.3×9.52，共有2種長(zhǎng)度，取同一規(guī)格中最危險(xiǎn)的支柱進(jìn)行屈曲校核，校核結(jié)果見表6，屈曲計(jì)算結(jié)果值均小于1，因此支柱的屈曲滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 駕駛室支柱屈曲校核

4 疲勞評(píng)估

對(duì)于駕駛室與主甲板連接處的肘板節(jié)點(diǎn)，由于受風(fēng)浪影響較大，其應(yīng)力水平較高，出于安全考慮，需校核其疲勞強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)肘板形式多方案對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，自由邊為橢圓弧的肘板，其趾端應(yīng)力最小。為提高連接肘板的疲勞壽命，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，肘板采用橢圓弧輪廓[3]，減小趾端應(yīng)力范圍。此外通過(guò)打磨工藝來(lái)提高疲勞壽命[4]，對(duì)于肘板趾端的焊縫應(yīng)按圖8所示方法打磨，對(duì)于肘板自由邊應(yīng)打磨去除火焰切割痕跡。

圖8 趾端焊縫打磨方法

選取2個(gè)肘板節(jié)點(diǎn)LOC1和LOC2進(jìn)行疲勞評(píng)估，節(jié)點(diǎn)位置見圖9。采用譜疲勞的分析方法[5]，使用美國(guó)船級(jí)社的OSAP軟件完成評(píng)估。

圖9 疲勞評(píng)估區(qū)域示意

疲勞評(píng)估主要考慮半潛起重船作業(yè)在4個(gè)海域：全球范圍、墨西哥灣、西非海域、巴西桑托斯盆地；3種工況：起居、遷移、起重作業(yè)。

節(jié)點(diǎn)LOC1和LOC2的熱點(diǎn)位置分別見圖10、11，熱點(diǎn)應(yīng)力由有限元直接計(jì)算得到，評(píng)估區(qū)域的網(wǎng)格大小為t×t。為減小計(jì)算量，縮短計(jì)算時(shí)間，分析流程中的結(jié)構(gòu)有限元分析采用子模型方法，使用局部模型作為計(jì)算模型，其邊界條件和載荷從全船有限元模型計(jì)算中得到。

圖10 LOC1位置熱點(diǎn)示意

圖11 LOC2位置熱點(diǎn)示意

譜疲勞評(píng)估時(shí)波譜采用P-M譜，方向擴(kuò)散函數(shù)取8/3πcos4θ；浪向角概率設(shè)定為-180°～180°范圍間隔30°的12個(gè)浪向角概率相同；根據(jù)半潛起重船工作海域輸入波浪散布圖數(shù)據(jù)；S-N曲線取非管節(jié)點(diǎn)在空氣中的ABS-(A)曲線[6]，其中趾端熱點(diǎn)選用C曲線，自由邊熱點(diǎn)選用B曲線；疲勞壽命取30年，設(shè)計(jì)疲勞系數(shù)取1.0；應(yīng)力范圍計(jì)算取單元表面主應(yīng)力，肘板趾端熱點(diǎn)應(yīng)力使用拉格朗日插值得到。

半潛起重平臺(tái)在各工況下不同海域運(yùn)營(yíng)的時(shí)間分配見表7。

表7 半潛起重平臺(tái)作業(yè)時(shí)間分配 %

節(jié)點(diǎn)LOC1和LOC2的各熱點(diǎn)疲勞損傷及疲勞壽命計(jì)算結(jié)果見表8，疲勞損傷均小于1.0,疲勞強(qiáng)度符合規(guī)范要求。

表8 半潛起重平臺(tái)在預(yù)期作業(yè)海域的時(shí)間分配

5 結(jié)論

1)海洋平臺(tái)為了提供更多甲板作業(yè)空間，可以將駕駛室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成懸出主船體的形式，來(lái)減小其占用的甲板面積。

2)由于懸臂梁根部受力最大，端部受力相對(duì)較小，為提高結(jié)構(gòu)利用率，可將懸臂支撐梁設(shè)計(jì)為變截面形式。

3)對(duì)于需要考慮全船有限元影響的局部計(jì)算，可以通過(guò)子模型方法，施加全船分析的節(jié)點(diǎn)位移載荷，再將局部載荷加載到子模型上進(jìn)行分析。

4)起重基座周圍的應(yīng)力通常較大，在設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮適當(dāng)降低連接區(qū)域剛度，來(lái)減弱應(yīng)力傳遞，如采用“臺(tái)階”式設(shè)計(jì)。

5)為了提高肘板的疲勞壽命，可以采用橢圓弧輪廓降低趾端應(yīng)力范圍。