采礦試驗(yàn)船簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

李成君，周佳

(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 海工部，上海 200011)

由于面向深海的采礦船缺少實(shí)船數(shù)據(jù)及規(guī)范文件，需要針對(duì)采礦船進(jìn)行總強(qiáng)度校核，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行性。采礦船外形為船型，船中具有月池，同時(shí)采礦船在月池區(qū)域集中布置塔架及鉆采設(shè)備共1 600 t，使得無(wú)論是重載出港還是輕載到港，全船始終處于中垂?fàn)顟B(tài)，因此采礦船的設(shè)計(jì)波的控制載荷與常規(guī)船型有較大不同。為此，以深海采礦試驗(yàn)船為對(duì)象進(jìn)行波浪載荷簡(jiǎn)化預(yù)報(bào)分析，計(jì)算波浪載荷，結(jié)合采礦船的特點(diǎn)進(jìn)行總強(qiáng)度分析，確認(rèn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵位置。

1 波浪載荷簡(jiǎn)化預(yù)報(bào)

對(duì)波浪載荷預(yù)報(bào)的簡(jiǎn)化主要工作在于月池結(jié)構(gòu)模型及全船重量重心調(diào)整2項(xiàng)工作。為了準(zhǔn)確把握全船重量重心及月池結(jié)構(gòu)對(duì)波浪載荷響應(yīng)幅值的影響，對(duì)波浪載荷結(jié)果的差異進(jìn)行分析。

由于船中有月池開(kāi)口，角隅處易產(chǎn)生應(yīng)力集中。在預(yù)報(bào)波浪載荷時(shí)，選取垂向剪力、彎矩以及船中轉(zhuǎn)矩作為典型設(shè)計(jì)工況。

1.1 月池結(jié)構(gòu)的影響分析

月池區(qū)域的控制載荷為垂向彎矩。在月池開(kāi)孔范圍內(nèi)，垂向剪力和垂向彎矩隨著月池尺寸的增加而有所減小，但變化較小。對(duì)于具有甲板大開(kāi)口的船舶，其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)對(duì)變形的影響不容忽視。為了確定月池在波浪載荷預(yù)報(bào)中是否可以直接簡(jiǎn)化，建立水動(dòng)力模型，見(jiàn)圖1。

圖1 不同模型濕表面網(wǎng)格

從定性角度分析，由于波浪載荷預(yù)報(bào)采用切片法，而月池結(jié)構(gòu)改變了波浪誘導(dǎo)載荷的積分面積，特別是位于典型位置船中區(qū)域切片積分面積會(huì)降低，造成波浪誘導(dǎo)載荷差異，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 月池結(jié)構(gòu)對(duì)波浪載荷響應(yīng)幅值影響結(jié)果對(duì)比

從圖2可知，月池結(jié)構(gòu)對(duì)垂向載荷影響較小，對(duì)轉(zhuǎn)矩影響較大。月池區(qū)域由于距離最大垂向剪力位置較遠(yuǎn)，因此影響較小，分析船體梁載荷式(1)～(3)發(fā)現(xiàn)，垂向彎矩為沿船長(zhǎng)方向的切片的垂向剪力的積分，因此最大垂向彎矩影響也不大，但是轉(zhuǎn)矩僅依靠橫剖面載荷進(jìn)行積分，因此最大轉(zhuǎn)矩受到月池結(jié)構(gòu)的影響較大。

1)垂向剪力。

(1)

2)垂向彎矩。

(2)

3)轉(zhuǎn)矩。

(3)

式中:為計(jì)算位置；為切片；，分別為剛體慣性力及力矩。

1.2 全船重量重心影響分析

船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)要求用于水動(dòng)力分析的模型與真實(shí)船體的重量重心誤差不得超過(guò)1%。由于重心的垂向坐標(biāo)較難控制，因此簡(jiǎn)化調(diào)整重心垂向位置進(jìn)行波浪載荷預(yù)報(bào)，意義重大。通過(guò)調(diào)整有限元模型材料密度的方式，選取重量重心變化范圍較顯著的3個(gè)模型進(jìn)行比較。見(jiàn)表1。

表1 不同質(zhì)量模型重量與重心

提取靠近峰值的頻率的預(yù)報(bào)結(jié)果，得到的幅值響應(yīng)見(jiàn)圖3，對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖3 重量重心對(duì)波浪載荷響應(yīng)幅值影響對(duì)比

圖4 重量重心對(duì)最大垂向彎矩及剪力的影響對(duì)比

由圖3可見(jiàn)，最大垂向彎矩及剪力受到模型重量重心的微弱影響，不過(guò)隨頻率變化趨勢(shì)一致，同時(shí)，最大響應(yīng)幅值對(duì)應(yīng)的頻率不受模型重量重心誤差的影響；而響應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩幅值則受到重量重心影響較大，另外最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的波浪頻率也不一樣。

由圖4可見(jiàn)，當(dāng)模型重量偏大，或重心的垂向位置偏低，則對(duì)應(yīng)的垂向彎矩及剪力的幅值偏大；當(dāng)模型重量偏大，或者重心偏高，最大轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)幅值偏大，最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的波浪頻率偏低。

1.3 波浪載荷簡(jiǎn)化預(yù)報(bào)方法小結(jié)

在兼顧效率及精度的條件下，當(dāng)僅預(yù)報(bào)垂向載荷作為控制載荷的設(shè)計(jì)波預(yù)報(bào)時(shí)，忽略月池結(jié)構(gòu)直接建立完整的濕表面模型計(jì)算，且適當(dāng)放寬模型的重量重心準(zhǔn)確度。當(dāng)船體總強(qiáng)度處于臨界狀態(tài)，或者需考慮最大轉(zhuǎn)矩作為控制載荷的設(shè)計(jì)波預(yù)報(bào)，則模型的月池結(jié)構(gòu)及全船重量重心均應(yīng)當(dāng)按照規(guī)范要求進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。

采礦試驗(yàn)?zāi)复脑O(shè)計(jì)工況包括轉(zhuǎn)矩，因此采用準(zhǔn)確的濕表面及重量重心的水動(dòng)力模型進(jìn)行波浪載荷預(yù)報(bào)。

2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

以SESAM軟件計(jì)算包為例，一般進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的流程見(jiàn)圖5、6。

圖5 結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度及局部強(qiáng)度分析流程

圖6 結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析流程

2.1 總強(qiáng)度計(jì)算

全船結(jié)構(gòu)有限元模型及質(zhì)量模型共用一個(gè)模型，見(jiàn)圖7。針對(duì)有限元模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，由于最大剪力一般位于1/4～3/4船長(zhǎng)位置，因此在1/5～4/5船長(zhǎng)范圍內(nèi)按照肋距以及縱骨間距的常規(guī)網(wǎng)格進(jìn)行建模，對(duì)于該范圍之外的模型采用強(qiáng)框間距作為單元尺寸進(jìn)行建模。

圖7 全船有限元模型&質(zhì)量模型

計(jì)算工況選取6級(jí)海況，選取所有工況的包絡(luò)載荷進(jìn)行計(jì)算，將裝載工況簡(jiǎn)化為航行出港，航行到港，得到的設(shè)計(jì)波參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同質(zhì)量模型重量與重心

根據(jù)表2中的設(shè)計(jì)波進(jìn)行總強(qiáng)度計(jì)算，選擇典型部位的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，應(yīng)力見(jiàn)圖8。

表3 全船總強(qiáng)度典型部位應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

圖8 典型部位應(yīng)力云圖

從圖8及表3可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在縱艙壁位置，其次是主甲板，最后是外殼，因此可以判定應(yīng)力傳遞路徑為從塔架到縱艙壁，到甲板再到外板，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)應(yīng)力傳遞路徑簡(jiǎn)化月池區(qū)域的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，由于應(yīng)力在傳遞過(guò)程中存在結(jié)構(gòu)剛度的抵抗，應(yīng)力水平將會(huì)逐級(jí)衰減，根據(jù)應(yīng)力傳遞路徑逐漸降低結(jié)構(gòu)剛度，可避免整體加強(qiáng)造成的結(jié)構(gòu)冗余，還能避免加強(qiáng)區(qū)域偏差導(dǎo)致的應(yīng)力集中。

2.2 局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

由于總強(qiáng)度采用梁?jiǎn)卧M塔架，而應(yīng)力無(wú)法從梁?jiǎn)卧獋鬟f到板單元，因此塔架局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算并不準(zhǔn)確。采用子模型法對(duì)塔架底座及月池角隅的局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。根據(jù)總強(qiáng)度分析的粗網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果，截取對(duì)應(yīng)區(qū)域的模型細(xì)化，見(jiàn)圖9。

圖9 子模型網(wǎng)格劃分

選取與船體變形方向一致的局部載荷作為典型載荷計(jì)算疲勞壽命。

2.3 疲勞壽命計(jì)算

疲勞環(huán)境選取全球海況，波浪譜選為PM譜，計(jì)算流程同前。

該船用于校核疲勞的節(jié)點(diǎn)主要是塔架底座，主甲板及船底月池開(kāi)口角隅。直接從局部強(qiáng)度模型中提取模型并繼承局部模型的邊界條件，疲勞校核模型及邊界條件見(jiàn)圖10，塔架底座模型單元總數(shù)14 672，月池區(qū)域開(kāi)口角隅模型單元總數(shù)14 335。

圖10 疲勞校核模型

一般疲勞分析需要根據(jù)不同裝載工況及作業(yè)場(chǎng)景進(jìn)行概率分布計(jì)算。在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，可根據(jù)情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，提取危險(xiǎn)場(chǎng)景進(jìn)行估算。限于篇幅，選取某熱點(diǎn)位置以及插值方式進(jìn)行疲勞校核，熱點(diǎn)位置見(jiàn)圖11、12。

圖11 疲勞校核熱點(diǎn)位置

圖12 疲勞校核插值方式

采用譜分析方法進(jìn)行全概率疲勞壽命計(jì)算，需要選擇正確的-曲線，塔架底座由于是焊接結(jié)構(gòu)，其疲勞性能較差，選取曲線，月池開(kāi)口區(qū)域選取曲線。對(duì)熱點(diǎn)疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算，選取典型插值結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 熱點(diǎn)疲勞計(jì)算結(jié)果

可以看出最短的疲勞壽命為1.2年，位于主甲板月池開(kāi)口角隅位置?？紤]到本船功能定位于海上采礦試驗(yàn)，并非正式服役，因此目前的疲勞結(jié)果可以滿足試驗(yàn)要求，不過(guò)本船若作為采礦作業(yè)條件時(shí)，該處是一個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)進(jìn)行加強(qiáng)。

2.4 強(qiáng)度校核簡(jiǎn)化方法小結(jié)

該船簡(jiǎn)化工作主要包括在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)載荷的過(guò)程中考慮船體變形與局部載荷疊加的影響；計(jì)算模型選擇子模型方法進(jìn)行強(qiáng)度分析；將關(guān)注區(qū)域的網(wǎng)格按照受力特征進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，然后將全船模型的邊界條件傳遞到子模型中；另外，根據(jù)應(yīng)力傳遞路徑，簡(jiǎn)化局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

3 結(jié)論

針對(duì)采礦試驗(yàn)船得出簡(jiǎn)化模型的可行性方法：當(dāng)主控載荷為垂向載荷以及總強(qiáng)度非臨界狀態(tài)的前提下，模型可簡(jiǎn)化處理，當(dāng)需要考慮橫向載荷作用時(shí)則不可簡(jiǎn)化處理。

采用子模型法對(duì)月池區(qū)域結(jié)構(gòu)屈服及疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析，給出了基于子模型分析的流程以及方法，確定強(qiáng)度分析中的應(yīng)力傳遞路徑，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度評(píng)估提供技術(shù)支持，并為后續(xù)的局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)提供參考。

但是，分析的完整性存在不足，主要在于模型簡(jiǎn)化方面，只定性給出月池結(jié)構(gòu)及全船重量重心對(duì)波浪載荷幅值影響，沒(méi)有針對(duì)不同船型的結(jié)果的影響進(jìn)行對(duì)比，并獲取估算公式，為模型簡(jiǎn)化工作提供數(shù)據(jù)支持。后續(xù)應(yīng)考慮選取不同的成熟船型進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算出月池結(jié)構(gòu)或者重量重心對(duì)不同載荷的影響因子，得到適應(yīng)性較好的載荷估算公式，然后采用新船型進(jìn)行驗(yàn)證，從而更準(zhǔn)確地把握處理簡(jiǎn)化模型的波浪載荷的預(yù)報(bào)方法。