一種用于海洋運(yùn)輸船舶加寬結(jié)構(gòu)

韓中成 李春曉 王玉浪 梁 強(qiáng) 史 亮

青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司

1 引言

隨著設(shè)備不斷向大型化、特殊化轉(zhuǎn)變，重型大件設(shè)備的海洋運(yùn)輸活動(dòng)不斷增加，運(yùn)輸所需船型難以在短周期內(nèi)適應(yīng)。一方面，超重或超大尺寸的設(shè)備需要整體由制造地通過海洋運(yùn)輸方式發(fā)運(yùn)至使用地，但在目前的航運(yùn)市場(chǎng)中，可用于海洋運(yùn)輸?shù)拇皵?shù)量不足以滿足此類設(shè)備運(yùn)輸需求，導(dǎo)致重大件設(shè)備無法在約定期限運(yùn)輸至使用地；另一方面，運(yùn)輸此類重大件設(shè)備一般沒有常規(guī)的運(yùn)輸捆扎方案，必須針對(duì)不同的設(shè)備和運(yùn)輸船舶制定方案[1]。為此，研究重型大件在原有運(yùn)輸船舶基礎(chǔ)上的運(yùn)輸捆扎方案，在安全運(yùn)輸?shù)那邦}下最大化利用現(xiàn)有船舶資源，短期快速適應(yīng)運(yùn)輸市場(chǎng)需求顯得尤為重要。

2 運(yùn)輸設(shè)備布置方案

重型大件設(shè)備遠(yuǎn)洋運(yùn)輸時(shí)，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)通過行走機(jī)構(gòu)豎直擺放至船舶甲板上，船甲板長(zhǎng)度方向可擺放多臺(tái)設(shè)備，提高運(yùn)輸效率，降低成本。但由于船甲板寬度尺寸小于大型設(shè)備寬度，導(dǎo)致行走機(jī)構(gòu)部分落于船舶甲板之外。為此，在懸空位置增加1組外伸結(jié)構(gòu)來支撐設(shè)備，加寬結(jié)構(gòu)與船舶結(jié)構(gòu)構(gòu)成穩(wěn)定三角形結(jié)構(gòu)，對(duì)設(shè)備提供有效支撐，并將設(shè)備載荷傳遞到船舶結(jié)構(gòu)(見圖1)。

圖1 加寬結(jié)構(gòu)示意圖

采用上述加寬方案后，甲板布置見圖2。船舶和加寬結(jié)構(gòu)構(gòu)成的整體滿足了設(shè)備運(yùn)輸所需的甲板基本尺寸要求，但其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還需要進(jìn)一步通過仿真計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2 加寬后布置圖

3 有限元方法建模與分析

有限元模型包括運(yùn)輸船舶艙段模型、運(yùn)輸設(shè)備模型。對(duì)運(yùn)輸設(shè)備模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算并獲得其與船體連接處的載荷數(shù)據(jù)，再將載荷加載至船舶艙段模型內(nèi)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[2]。

3.1 方案設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

本方案中結(jié)構(gòu)材料屬性見表1。

表1 結(jié)構(gòu)材料屬性

加寬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)API RP 2A-WSD和AISC鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)于板梁框架結(jié)構(gòu)，取Von-Mises應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3.2 結(jié)構(gòu)有限元模型

有限元分析應(yīng)覆蓋整船區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)性能，在本方案中考慮設(shè)備在船舶甲板上的布置情況，選取典型位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析[3]。船舶有限元模型在沿船長(zhǎng)方向建立了部分艙段模型，并整合加寬結(jié)構(gòu)及甲板軌道梁(見圖3)。模型的邊界條件設(shè)為船舶底板面進(jìn)行固定約束。

圖3 艙段有限元模型

3.3 載荷計(jì)算和工況選取

船舶運(yùn)載設(shè)備在海上航行時(shí)，一方面在重力作用下，船舶甲板對(duì)設(shè)備有承載力；另一方面由于風(fēng)和海浪等因素會(huì)導(dǎo)致沿船寬和船長(zhǎng)方向的搖擺，從而對(duì)運(yùn)輸設(shè)備產(chǎn)生額外作用力[4]。根據(jù)CCS-海上拖航指南，在不同工況組合下，對(duì)于運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并提取設(shè)備對(duì)船舶結(jié)構(gòu)的作用力組合，施加至船舶有限元模型內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

3.3.1 設(shè)備載荷計(jì)算參數(shù)

依據(jù)運(yùn)輸設(shè)備船舶的船型數(shù)據(jù)，計(jì)算出設(shè)備的橫搖角度、橫搖周期、縱搖角度、縱搖周期和搖心位置(見表2)。

表2 設(shè)備海運(yùn)參數(shù)

依據(jù)以上參數(shù)，根據(jù)CCS-海上拖航指南計(jì)算出設(shè)備有限元模型的基礎(chǔ)輸入?yún)?shù)(見表3)。

表3 設(shè)備模型輸入?yún)?shù)

3.3.2 載荷組合工況

由橫向、縱向垂蕩3個(gè)方向加速度及風(fēng)載荷組合出20個(gè)工況對(duì)設(shè)備進(jìn)行計(jì)算(見表4)。

表4 工況組合表

3.3.3 載荷施加

采用上述工況對(duì)設(shè)備進(jìn)行有限元分析，提取設(shè)備與船舶連接4處支反力，以均布的方式施加在船舶模型中，進(jìn)行有限元分析(見圖4)。

圖4 施加載荷

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

船舶結(jié)構(gòu)分為板結(jié)構(gòu)和梁結(jié)構(gòu)，板結(jié)構(gòu)分為加寬處板結(jié)構(gòu)和非加寬處板結(jié)構(gòu)。對(duì)20個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到應(yīng)力最大的組合工況為最危險(xiǎn)工況，將該工況下的應(yīng)力值與船舶板結(jié)構(gòu)、船舶梁結(jié)構(gòu)和加寬結(jié)構(gòu)的材料許用值進(jìn)行比較分析。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，板結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為206.2 MPa，梁結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為200.4 MPa，加寬結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為289 MPa。匯總計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，可得本方案對(duì)船舶結(jié)構(gòu)加寬設(shè)計(jì)，在最危險(xiǎn)組合工況下船舶結(jié)構(gòu)和加寬結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范要求(見表5)。

表5 應(yīng)力結(jié)果匯總

4 結(jié)語

本方案為重大件特殊設(shè)備的海洋運(yùn)輸提供了一種新的設(shè)計(jì)思路，通過有限元仿真分析驗(yàn)證了方案的可行性，可降低設(shè)備運(yùn)輸?shù)拇俺杀荆行У亟鉀Q海運(yùn)市場(chǎng)短期內(nèi)供求不平衡的問題。