海洋平臺上部模塊稱重結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

何 浩，白 杰，張 明，王福嘉

(天津修船技術(shù)研究所，天津 300456)

受制于吊裝能力及結(jié)構(gòu)物整體強(qiáng)度，海洋平臺項目多采用陸地階段分塊建造，海上吊裝上部模塊的方式完成整體合龍。準(zhǔn)確的重量重心對浮吊和吊索的選擇起著決定性作用[1]，為避免因重量重心的偏差影響海上吊裝，需要在陸地階段通過稱重作業(yè)驗證設(shè)計階段提供的理論重量重心，核實是否滿足海上吊裝要求。稱重作業(yè)一般采用多個液壓千斤頂對焊接在上部模塊立柱底部的稱重結(jié)構(gòu)進(jìn)行同步頂升，稱重結(jié)構(gòu)是完成稱重作業(yè)的必要條件。稱重結(jié)構(gòu)在單個千斤頂油缸面積內(nèi)的受力一般在800～2 400 kN之間，千斤頂油缸直徑一般在150～300 mm之間，受力大且受力面積小，設(shè)計難度較大。合理的稱重結(jié)構(gòu)形式是稱重結(jié)構(gòu)設(shè)計成功的重要方式和手段。

1 設(shè)計參數(shù)

1)基礎(chǔ)工況。國內(nèi)某海洋平臺上部模塊為三立柱組塊，其設(shè)計總質(zhì)量為1 457 t，共用8個400 t千斤頂進(jìn)行稱重，千斤頂總頂升能力3 200 t。立柱規(guī)格為D1 382×50(直徑×壁厚)，立柱與滑靴間已安裝8塊38 mm固定板。各立柱支反力及相應(yīng)千斤頂參數(shù)見表1。

表1 各立柱支反力及相應(yīng)千斤頂參數(shù)

根據(jù)各立柱支反力及千斤頂數(shù)量，P002立柱為單個千斤頂受力最大的立柱，選擇P002立柱作為本次優(yōu)化設(shè)計研究對象。千斤頂布置需要避開已安裝筋板，并圍繞立柱對稱布置，固定板及千斤頂布置示意圖見圖1。

圖1 固定板及千斤頂布置示意圖

2)材料參數(shù)。稱重結(jié)構(gòu)及立柱均采用GB/T 712-2011《船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼》中的D36，彈性模量為2.1×105N/mm2，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為355 MPa，密度為7 850 kg/m3。

3)有限元模型參數(shù)。本文中有限元模型采用shell 181，為四節(jié)點殼單元，每個節(jié)點具有X、Y、Z3個軸方向的位移和繞X、Y、Z3個軸的轉(zhuǎn)角，共計6個自由度。在立柱頂部施加固定約束，千斤頂提供的支撐力可轉(zhuǎn)換為圓形面載荷施加在稱重結(jié)構(gòu)上，載荷為6 121 kN(含1.5倍安全系數(shù))[2]。

2 初步設(shè)計

根據(jù)以往稱重結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，初步將稱重結(jié)構(gòu)設(shè)計為圍繞立柱焊接2層50 mm厚環(huán)板，并在千斤頂上方焊接徑向豎直38 mm厚筋板的形式，初步設(shè)計稱重結(jié)構(gòu)有限元模型見圖2。施加約束和載荷，進(jìn)行計算，得出初步設(shè)計Von Mises應(yīng)力云圖見圖3。由圖3知，最大應(yīng)力值為304 MPa，大于許用應(yīng)力(213 MPa)，不滿足設(shè)計要求。

圖2 初步設(shè)計稱重結(jié)構(gòu)有限元模型

圖3 初步設(shè)計Von Mises應(yīng)力云圖

3 優(yōu)化設(shè)計

1)刪減非受力結(jié)構(gòu)。根據(jù)初步設(shè)計計算結(jié)果分析，除千斤頂上部稱重結(jié)構(gòu)受力較大，其余部分環(huán)板沒有在稱重時發(fā)揮作用且造成材料浪費?？蓛?yōu)化稱重結(jié)構(gòu)，刪減非受力環(huán)板。刪減非受力環(huán)板后有限元模型見圖4、Von Mises應(yīng)力云圖見圖5。

圖4 刪減非受力環(huán)板后有限元模型

圖5 刪減非受力環(huán)板后Von Mises應(yīng)力云圖

由圖5知，刪減非受力環(huán)板后最大應(yīng)力值為312 MPa，與刪減前基本一致，但可有效減少材料投入，符合優(yōu)化設(shè)計預(yù)期。

2)增加稱重結(jié)構(gòu)板材厚度。為減小稱重結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值，考慮增加稱重結(jié)構(gòu)板材厚度可有效增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將環(huán)板厚度增加至60 mm，徑向豎直筋板厚度增加至45 mm。增加板材厚度后有限元模型見圖6、Von Mises應(yīng)力云圖見圖7。

圖6 增加板材厚度后有限元模型

圖7 增加板材厚度后Von Mises應(yīng)力云圖

由圖7知，增加板材厚度后最大應(yīng)力值為303 MPa，稱重結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到加強(qiáng)，但與立柱相接處應(yīng)力過于集中，無法有效降低應(yīng)力最大值，未達(dá)到優(yōu)化設(shè)計預(yù)期。

3)增加徑向筋板數(shù)量。單純增加板厚無法有效降低最大應(yīng)力值，考慮增加徑向筋板數(shù)量分散應(yīng)力分布。增加徑向筋板數(shù)量后有限元模型見圖8、Von Mises應(yīng)力云圖見圖9。

圖8 增加徑向筋板數(shù)量后有限元模型

圖9 增加徑向筋板數(shù)量后Von Mises應(yīng)力云圖

由圖9知，增加徑向筋板數(shù)量后最大應(yīng)力值為374 MPa，與立柱相接處應(yīng)力的分散效果不理想，且與千斤頂接觸面應(yīng)力集中明顯，未達(dá)到優(yōu)化設(shè)計預(yù)期。

4)增加垂直于徑向筋板。通過對以上優(yōu)化設(shè)計方案計算結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)立柱與上環(huán)板相接處及徑向豎直筋板為應(yīng)力較大的區(qū)域，而原有固定板應(yīng)力值較小，在稱重過程中未發(fā)揮作用?？紤]增加38 mm厚垂直于徑向的筋板，加強(qiáng)稱重結(jié)構(gòu)與固定板的連接，讓固定板充分參與到整體計算中。增加垂直于徑向筋板后有限元模型見圖10、Von Mises應(yīng)力云圖見圖11。

圖10 增加垂直于徑向筋板后有限元模型

圖11 增加垂直于徑向筋板后Von Mises應(yīng)力云圖

由圖11知，此優(yōu)化設(shè)計方案可有效降低最大應(yīng)力值至220 MPa，但仍大于許用應(yīng)力值(213 MPa)，且嵌入式箱型空間狹小，施工難度較大。立柱與上環(huán)板相接處仍為應(yīng)力最大的區(qū)域，考慮減小上環(huán)板厚度為38 mm，讓應(yīng)力分布更加均勻。上環(huán)板外側(cè)部分應(yīng)力分布較小，考慮減小上環(huán)板尺寸，解決嵌入式箱體結(jié)構(gòu)施工困難的問題。減小上環(huán)板厚度及尺寸后有限元模型見圖12、Von Mises應(yīng)力云圖見圖13。

圖12 減小上環(huán)板厚度及尺寸后有限元模型

圖13 減小上環(huán)板厚度及尺寸后Von Mises應(yīng)力云圖

由圖13知，減小上環(huán)板厚度及尺寸后最大壓力值為209 MPa，小于許用應(yīng)力值(213 MPa)，滿足設(shè)計要求且便于施工作業(yè)。

4 結(jié)果對比

通過對稱重結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，大幅減少了材料投入，有效降低了最大應(yīng)力值，優(yōu)化設(shè)計前后材料投入及最大壓力對比見表2。優(yōu)化設(shè)計前后圖形對比見圖14。

表2 優(yōu)化設(shè)計前后材料投入及最大應(yīng)力對比

圖14 優(yōu)化前后圖形對比

5 結(jié)束語

本文以國內(nèi)某海洋平臺上部模塊稱重結(jié)構(gòu)為研究對象，通過對稱重結(jié)構(gòu)不同設(shè)計方案的探索和模擬仿真，逐步完成對稱重結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計過程中可發(fā)現(xiàn)刪減稱重結(jié)構(gòu)中受力不明顯的結(jié)構(gòu)對計算結(jié)果影響微小，但可有效減少材料投入；合理的結(jié)構(gòu)形式可以讓應(yīng)力分布更加均勻，有效地降低最大應(yīng)力值，達(dá)到良好的優(yōu)化設(shè)計效果。