海纜船電纜盤結(jié)構(gòu)區(qū)域強(qiáng)度分析

郭興乾，陳曙梅，喬國瑞，李成君

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

隨著海纜船的裝載量需求越來越大，對(duì)電纜盤基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的要求越來越高。電纜盤一般設(shè)置于船中區(qū)域，該區(qū)域結(jié)構(gòu)同時(shí)承受了中縱彎曲載荷和電纜盤集中載荷，不僅僅是屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度，對(duì)于電纜盤下船體結(jié)構(gòu)的撓度變形要求也逐漸提高；電纜盤設(shè)備上分布有很多組滑輪組，在使用過程中，會(huì)有各種各樣的受力情況，如果局部結(jié)構(gòu)撓度變形較大，滑輪若懸空，勢必造成其他滑輪承受更多的載荷，對(duì)船體結(jié)構(gòu)將形成更大的作用力，如此結(jié)構(gòu)變形趨勢進(jìn)一步惡化，這樣形成惡性循環(huán)，將使得電纜盤的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生不利影響。電纜的重量隨著施工會(huì)產(chǎn)生變化，因此有必要對(duì)電纜盤底座進(jìn)行變形分析，根據(jù)變形結(jié)果對(duì)電纜盤工字鋼底座做相應(yīng)的預(yù)變形處理，盡可能減小使用過程中產(chǎn)生的變形對(duì)整體設(shè)備的影響。

針對(duì)電纜盤結(jié)構(gòu)區(qū)域特點(diǎn)，考慮首先采用波浪載荷直接預(yù)報(bào)方法分析該船在最大裝載作業(yè)工況下船體橫搖角、縱搖角是否滿足電纜盤設(shè)計(jì)要求，同時(shí)獲取該船于電纜盤中心處船體加速度作為艙段有限元分析輸入條件，并對(duì)比該船垂向波浪載荷規(guī)范值與預(yù)報(bào)值之間差異；其次通過建立艙段有限元模型，將包括電纜盤三圈軌道載荷、舷外水壓力、總縱彎矩載荷和船體運(yùn)動(dòng)加速度載荷施加于有限元模型上，采用艙段有限元分析方法校核該結(jié)構(gòu)區(qū)域強(qiáng)度及變形撓度。根據(jù)計(jì)算過程及結(jié)果，提出關(guān)于海纜船電纜盤下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方面的建議。

1 計(jì)算船型特點(diǎn)及參數(shù)

由駁船改造成的海纜船船長為100.6 m，型寬30.5 m，型深6.4 m，肋距0.6 m，設(shè)計(jì)吃水4.7 m，最大電纜裝載量5 000 t。電纜盤設(shè)置于船中FR28，直徑約22 m，電纜盤共設(shè)3圈滑輪軌道，基座由3圈圓形桁材組成，分別位于對(duì)應(yīng)的導(dǎo)軌軌道下，基座設(shè)計(jì)為工字鋼截面，工字鋼基座結(jié)構(gòu)分別連接滑輪軌道和主甲板結(jié)構(gòu)，其腹板總高為235 mm，在其與主甲板下強(qiáng)桁材的相交位置處沿桁材方向設(shè)置對(duì)稱肘板。電纜盤區(qū)域平面結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2為對(duì)應(yīng)3圈電纜盤軌道基座平面。

圖1 電纜盤區(qū)域平面結(jié)構(gòu)

圖2 電纜盤軌道基座平面

2 電纜盤預(yù)變形分析

電纜盤承受幾千噸級(jí)電纜重量時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，為研究其變形量及變形趨勢，分別計(jì)算在靜水工況下承受3 000 t電纜重量和最危險(xiǎn)工況下電纜滿載(5 000 t)時(shí)各圈工字鋼底座的變形量，以確定對(duì)各圈工字鋼底座需要做多少預(yù)變形處理，此預(yù)變形將在設(shè)計(jì)圖紙中反映并由船廠施工直接完成。計(jì)算結(jié)果見表1和表2，典型軌道變形量見圖3和圖4。

表1 3 000 t靜水裝載工況下圈內(nèi)變形量

表2 最危險(xiǎn)工況下圈內(nèi)變形量

圖3 3 000 t靜水工況下各圈軌道變形量

圖4 最危險(xiǎn)工況下各圈軌道變形量

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可得出如下結(jié)論。

1)裝載3 000 t,靜水工況和滿載極端工況下，3 000 t裝載時(shí)軌道的變形量約為滿載時(shí)變形量的一半，所以根據(jù)3 000 t時(shí)的變形量而設(shè)計(jì)反變形能有效減小滿載工況時(shí)的相對(duì)變形。

2)根據(jù)3 000 t裝載時(shí)的變形數(shù)據(jù)，首先設(shè)定各軌道之間整體的反變形如下：保持22 m軌道高度不變，將16 m軌道高度整體提高3 mm，10 m軌道高度整體提高5.6 mm，內(nèi)圈整體高度提高7.6 mm。

3)根據(jù)3 000 t裝載時(shí)的變形數(shù)據(jù)，設(shè)定各圈軌道內(nèi)部的反變形如下：內(nèi)圈反變形0.9 mm，10 m軌道內(nèi)部反變形1.4 mm，(此兩圈軌道內(nèi)部的反變形較小可以忽略不計(jì))，16 m軌道內(nèi)部反變形4 mm，22 m軌道內(nèi)部反變形7.3 mm。

3 船體運(yùn)動(dòng)及載荷預(yù)報(bào)

電纜盤滑輪組在旋轉(zhuǎn)過程中，滑輪組與工字鋼基座面板是滑動(dòng)連接，承受載荷的同時(shí)還要轉(zhuǎn)動(dòng)，所以載荷相對(duì)穩(wěn)定和均勻的分布對(duì)電纜盤非常重要，因此需計(jì)算校核船體最大橫搖角、縱搖角，使其滿足電纜盤的設(shè)計(jì)極限值?？紤]最危險(xiǎn)的(電纜裝載量最大)滿載作業(yè)工況進(jìn)行船體運(yùn)動(dòng)及載荷直接預(yù)報(bào)，具體裝載見表3。環(huán)境條件采用生存環(huán)境5級(jí)海況數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表4。

表3 裝載工況

表4 極限環(huán)境條件

3.1 船體運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算采用DNV船級(jí)社開發(fā)的SESAM/WADAM和SESAM/POSTRESP程序，坐標(biāo)系定義、濕表面模型、質(zhì)量模型根據(jù)常規(guī)波浪載荷預(yù)報(bào)進(jìn)行選取和模擬，電纜盤的重量以質(zhì)量點(diǎn)進(jìn)行模擬。濕表面模型和質(zhì)量模型見圖5。

圖5 濕表面模型和質(zhì)量模型

根據(jù)各特征參數(shù)響應(yīng)傳遞函數(shù)，結(jié)合給定短期海況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得各特征值短期預(yù)報(bào)值。計(jì)算結(jié)果見表5。由表5可知，船體最大橫搖角為10.3°，最大縱搖角為4.7°，滿足電纜盤設(shè)備商提出最大限制要求(電纜盤運(yùn)輸及鋪管過程中船的搖擺，極限工況為橫搖±20°，縱搖±12.5°)。

表5 短期預(yù)報(bào)極值

3.2 波浪彎矩短期預(yù)報(bào)值與規(guī)范值比較

海纜船在裝載量最大時(shí)處于中垂?fàn)顟B(tài)，后續(xù)艙段分析選取該工況進(jìn)行強(qiáng)度校核，本船主尺度滿足《鋼規(guī)》要求，可以采用規(guī)范公式進(jìn)行垂向波浪彎矩計(jì)算，通常波浪載荷長期預(yù)報(bào)值相比規(guī)范值會(huì)大20%，從設(shè)計(jì)研究考慮，同時(shí)運(yùn)用sesam軟件進(jìn)行波浪載荷短期預(yù)報(bào)，計(jì)算預(yù)報(bào)所得FR28剖面處最大中垂波浪彎矩為1.92×10N·m，規(guī)范公式計(jì)算為4.02×10N·m。從計(jì)算結(jié)果可知,實(shí)際上因?yàn)樽鳂I(yè)工況需要的海況條件較好，短期預(yù)報(bào)值相比規(guī)范值要小不少，因?yàn)橐?guī)范經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值對(duì)應(yīng)也是長期預(yù)報(bào)值，不同于海洋平臺(tái)中風(fēng)暴自存狀態(tài)下的惡劣海況，惡劣海況下短期預(yù)報(bào)值也可能比規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式值大，從船舶保守設(shè)計(jì)考慮，采用規(guī)范計(jì)算的垂向波浪彎矩作為艙段有限元分析的輸入載荷。

4 艙段有限元強(qiáng)度分析

4.1 結(jié)構(gòu)模型化及邊界條件

有限元模型單元的選取和網(wǎng)格劃分、構(gòu)件的取舍、邊界約束條件的設(shè)定、載荷的施加等主要依據(jù)CCS相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行。模型中，船體各類板、殼構(gòu)件，包括平臺(tái)板、船體甲板、舷側(cè)外板、縱艙壁板、強(qiáng)框架、縱桁材腹板、電纜盤基座及主甲板縱骨腹板等使用殼單元模擬等使用殼單元模擬，其他區(qū)域縱骨、扶強(qiáng)材、桁材以及主甲板縱骨的面板以及支柱等使用梁單元模擬。主甲板區(qū)域網(wǎng)格尺度為0.15 m，其他區(qū)域網(wǎng)格尺度為0.6 m，典型模型見圖6。

圖6 艙段有限元模型

邊界條件的設(shè)定參考依據(jù)CCS規(guī)范要求進(jìn)行，艙段模型的邊界條件采用一端剛性固定，另一端施加剪力和彎矩的方式進(jìn)行，同時(shí)將目標(biāo)位置的剪力和彎矩調(diào)整到目標(biāo)值。在自由端使用剛性MPC單元連接所有縱向連續(xù)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)，使得變形后橫截面仍保持為平面，見圖7。

圖7 目標(biāo)彎矩調(diào)整

4.2 載荷施加

電纜盤艙段有限元分析載荷輸入主要包括總縱彎矩載荷、設(shè)備自重載荷、舷側(cè)外水壓力、油艙及水艙壓力以及船體運(yùn)動(dòng)加速度載荷等，根據(jù)前文所述，短期預(yù)報(bào)極值小于規(guī)范計(jì)算值，從設(shè)計(jì)角度考慮，短期海況為5級(jí)，相較于采用北大西洋波浪散布圖中垂目標(biāo)彎矩為=6.558×10N·m，如圖7所示將目標(biāo)剖面彎矩調(diào)整到目標(biāo)彎矩；自重加上電纜最大裝載量共5 400 t，其水平載荷全由中心回轉(zhuǎn)軸承承擔(dān)，對(duì)于垂向載荷，中心回轉(zhuǎn)軸承承擔(dān)500 t，直徑10 m重軌承擔(dān)800 t，直徑16 m重軌承擔(dān)1 600 t，直徑22 m重軌承擔(dān)2 500 t。如圖8所示，根據(jù)壓力公式施加水壓力，根據(jù)船體運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)施加船體運(yùn)動(dòng)加速度，其中垂向加速度部分通過折算成垂向載荷與其自重疊加均布施加于4圈基座平面上，而水平加速度載荷只施加于轉(zhuǎn)盤中心回轉(zhuǎn)軸承基座平面上。

圖8 各圈軌道載荷示意

4.3 校核衡準(zhǔn)

參照CCS規(guī)范對(duì)雙殼油船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算的要求，各種工況下，艙段有限元分析中的主要構(gòu)件計(jì)算應(yīng)力應(yīng)滿足表6的要求。

表6 許用應(yīng)力[σe]值 MPa

依據(jù)CCS規(guī)范要求對(duì)主要典型構(gòu)件進(jìn)行屈曲強(qiáng)度的校核，公式不在此贅述，詳細(xì)參考規(guī)范，甲板及舷側(cè)外板、縱艙壁最小屈曲安全因子取值為0.8。

4.4 結(jié)果分析及討論

1)屈服強(qiáng)度。

通過計(jì)算結(jié)果分析可知：由于有中縱彎矩和電纜盤集中載荷綜合影響，主甲板、縱艙壁、縱桁等主要縱向構(gòu)件應(yīng)力較橫向構(gòu)件應(yīng)力大，電纜盤基座位于縱艙壁位置處更換原板材結(jié)構(gòu)，主甲板應(yīng)力較大在電纜盤內(nèi)圈工字鋼位于主甲板桁材板格中心弱骨材處，增設(shè)強(qiáng)桁材將應(yīng)力傳導(dǎo)至強(qiáng)桁材處更為合理；工字鋼基座面應(yīng)力隨著外圈載荷越大應(yīng)力越大，結(jié)果符合中縱彎矩和電纜盤集中均勻受力的趨勢，根據(jù)載荷施加情況，加速度值由給定海況短期預(yù)報(bào)而得。從船體運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果可知，該給定海況下橫搖及縱搖值未超出電纜盤極限設(shè)計(jì)值。相反，根據(jù)極限橫搖及縱搖值得出電纜盤的不均勻分布載荷最大值，該最大值是否超出均布載荷疊加給定海況短期預(yù)報(bào)而得加速度，是值得研究。中縱剖面為桁材設(shè)計(jì)而非艙壁，中縱桁材需承受4圈軌道分布載荷分量，因此主甲板中縱桁區(qū)域靠近船中區(qū)域應(yīng)力較其他區(qū)域大，應(yīng)力值也接近許用值，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度應(yīng)該改進(jìn)該區(qū)域結(jié)構(gòu)形式或者增加結(jié)構(gòu)尺寸。主要構(gòu)件的屈服強(qiáng)度見表7。典型結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖見圖9。

圖9 典型結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

表7 主要構(gòu)件的屈服強(qiáng)度列表 MPa

依據(jù)CCS相關(guān)規(guī)范要求，選取典型主要受壓結(jié)構(gòu)的板格進(jìn)行屈曲強(qiáng)度校核，屈曲校核值為0.84，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

1)確定電纜盤縱向中心彎矩最大值時(shí)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)長期預(yù)報(bào)極值一般比規(guī)范計(jì)算值大10%～30%，但是作業(yè)工況下短期海況預(yù)報(bào)極值較長期預(yù)報(bào)極值小，所以應(yīng)比較短期預(yù)報(bào)極值和規(guī)范計(jì)算極值，取較大者；同時(shí)對(duì)于大型電纜盤，可采取預(yù)變形處理，減小實(shí)際使用過程中變形的絕對(duì)值。

2)艙段有限元計(jì)算中，通?？紤]使得電纜盤每一圈的載荷均勻分布在滑輪軌道上;但是實(shí)際船在作業(yè)或運(yùn)行過程中，船體橫、縱傾斜時(shí)，載荷會(huì)向某一側(cè)集中，使得局部滑輪和相應(yīng)船體結(jié)構(gòu)承受更大作用力，所以應(yīng)考慮研究橫搖和縱搖達(dá)到極值時(shí)，各圈工字鋼基座承受的載荷分布情況。

3)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議：船體結(jié)構(gòu)目前大多數(shù)都是使用橫縱艙壁、橫縱強(qiáng)框結(jié)構(gòu)、支柱結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，海纜船總體結(jié)構(gòu)上要考慮總縱強(qiáng)度影響，根據(jù)使用后反饋甲板局部變形導(dǎo)致的滑輪懸空進(jìn)而影響整個(gè)電纜盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，從基本結(jié)構(gòu)圖可以看出，雖然加密縱桁、強(qiáng)桁材和支柱可以減小甲板板格，提高船體的整體剛度。但是從力學(xué)原理上分析，對(duì)于與電纜盤基座直接相連接的甲板，若沒有直接加強(qiáng)，而是通過該區(qū)域板承受載荷傳遞到附近艙壁或桁材，這樣的設(shè)計(jì)使得板產(chǎn)生變形的趨勢大大增加。所以可以結(jié)合船體布置，對(duì)于板格較大區(qū)域，對(duì)應(yīng)工字鋼底座兩緣進(jìn)行對(duì)應(yīng)加強(qiáng)，提高滑輪工字鋼底座區(qū)域的局部剛度，防止局部變形導(dǎo)致滑輪懸空影響電纜盤運(yùn)轉(zhuǎn)。