張 健， 昌 滿， 何文心

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

海上過(guò)駁平臺(tái)全船強(qiáng)度計(jì)算及基座結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案

張 健， 昌 滿， 何文心

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

以一艘典型的非自航式海上過(guò)駁平臺(tái)為研究對(duì)象，選取6種典型作業(yè)工況，應(yīng)用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算方法，獲得船體各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形分布規(guī)律。通過(guò)對(duì)起重機(jī)基座與主甲板、中縱艙壁的交匯處等高應(yīng)力區(qū)域的局部強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，得到基座結(jié)構(gòu)響應(yīng)、應(yīng)力分布特點(diǎn)及最危險(xiǎn)的作業(yè)形式，提出3種結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案并進(jìn)行比較研究。研究成果可以為海上過(guò)駁平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

海上過(guò)駁平臺(tái);結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;加強(qiáng)方案

0 引言

海上過(guò)駁平臺(tái)是一種以船舶為載體，可自航或通過(guò)拖船輔助航行至目的地，并通過(guò)船上配備的裝卸船設(shè)備開(kāi)展散料轉(zhuǎn)運(yùn)的作業(yè)平臺(tái)[1]。如圖1所示，海上過(guò)駁平臺(tái)是真正意義上的“海上移動(dòng)碼頭”，一次靠泊就能全程連續(xù)地裝卸作業(yè)，裝卸船過(guò)程中無(wú)移泊、無(wú)等待，在不改變?cè)写a頭的泊位能力和不增加海上運(yùn)輸成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)大船上的散料通過(guò)海上過(guò)駁平臺(tái)倒運(yùn)到小船進(jìn)港，將小船上的散料倒運(yùn)到大船上出港。海上過(guò)駁平臺(tái)由于其自身的工作特點(diǎn)，工作時(shí)易受到風(fēng)、浪、流等復(fù)雜環(huán)境載荷和起重機(jī)、帶式傳送系統(tǒng)、裝船機(jī)等上部多重構(gòu)件工作載荷的聯(lián)合作用，易出現(xiàn)過(guò)駁平臺(tái)總體受力大、局部受力集中且分布不均的情況。因此，作為一種新型的海上工程作業(yè)船舶，為保證海上過(guò)駁平臺(tái)能正常工作，有必要對(duì)其全船及基座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行研究。

圖1 海上過(guò)駁平臺(tái)

1 全船有限元強(qiáng)度分析

由于海上過(guò)駁平臺(tái)是一種新型工程船舶，相關(guān)規(guī)范中對(duì)如何進(jìn)行該型船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算尚無(wú)明確規(guī)定。本文在參考其他相近船舶結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合該型船舶的實(shí)際情況，確定全船有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法。

全船有限元模型如圖2所示。運(yùn)用一款大型船舶CAD軟件——NAPA軟件建立了船體濕表面(船舶水線以下部分)模型，計(jì)算得出船舶的重力與浮力分布，依據(jù)坦谷波理論施加各工況相應(yīng)的波浪要素并通過(guò)改變波峰或波谷與船舶的相對(duì)位置，計(jì)算出船舶在靜波浪中的平衡位置，進(jìn)而繪制出船舶在中拱、中垂?fàn)顟B(tài)下的波浪曲線，將其擬合而成函數(shù)曲線便是全船有限元舷外水壓力[2-3]。計(jì)算半波高為2.98m，波長(zhǎng)取船長(zhǎng)114.8m。對(duì)于起重機(jī)、臂架等部件，按風(fēng)力引起的彎矩施加于基座中心處質(zhì)量節(jié)點(diǎn)上，選取縱向吊重的風(fēng)載荷為X方向，橫向吊重的風(fēng)載荷為Y方向(該方向計(jì)算后應(yīng)力偏危險(xiǎn))[4]。此外，還需考慮船舶自重、貨物載荷、各艙內(nèi)液態(tài)載荷對(duì)船體的影響。

圖2 全船有限元模型

計(jì)算涉及海上過(guò)駁平臺(tái)縱向吊重100t出港、橫向吊重60t出港2種危險(xiǎn)作業(yè)狀態(tài)以及靜水、迎浪中拱、迎浪中垂3種波浪條件，組成6種工況作為海上過(guò)駁平臺(tái)的計(jì)算工況。各工況下船體各構(gòu)件VonMises應(yīng)力結(jié)果如表1所示，部分應(yīng)力云圖如圖3和圖4所示。

表1 不同波浪條件下船體結(jié)構(gòu)的 Von Mises 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

圖3 LC1主甲板應(yīng)力云圖

圖4 LC2橫艙壁應(yīng)力云圖

海上過(guò)駁平臺(tái)在計(jì)算的6種工況下，船體各構(gòu)件的相當(dāng)應(yīng)力值均在規(guī)范要求的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，基座甲板、中縱艙壁的應(yīng)力值相比其他構(gòu)件較大，且高應(yīng)力區(qū)域位于起重機(jī)基座與主甲板、中縱艙壁的交匯處，這是由于基座承受著起重機(jī)自重、貨物吊重以及傾覆力矩，從而導(dǎo)致局部應(yīng)力較大。

2 起重機(jī)基座結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度分析

由以上計(jì)算可知，海上過(guò)駁平臺(tái)高應(yīng)力區(qū)域主要集中在起重機(jī)基座與主甲板、中縱艙壁的交匯處，因此有必要再對(duì)起重機(jī)基座結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 基座有限元模型

按《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范(2007)》要求選取船首部從Fr130～Fr184的區(qū)域，總長(zhǎng)為33.75m，其中基座區(qū)域?yàn)镕r144～Fr168，模型如圖5所示。為了更好地觀察結(jié)構(gòu)高應(yīng)力部位的應(yīng)力響應(yīng)，將基座穿過(guò)甲板的區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)網(wǎng)格細(xì)化，取為原網(wǎng)格尺寸的1/3或1/4[5-6]。

圖5 基座有限元模型

2.2 邊界條件及載荷工況

根據(jù)規(guī)范邊界條件可考慮自由支持或固支。在模型Fr130端面施加剛性固定約束?；Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷主要包括起重機(jī)的傾覆力矩和自重載荷，載荷通過(guò)基座傳遞到支撐結(jié)構(gòu)上。選取最大吊重100t作為計(jì)算工況。此時(shí)，起重機(jī)起吊重量和自身重量之和為3.43×106N，傾覆力矩為2.9×107N·m，風(fēng)傾力矩為6.47×105N·m。

對(duì)于設(shè)備自重及吊重采用MPC(Multi-PointConstraints)的方式施加，以貨物和設(shè)備自重的重心為獨(dú)立點(diǎn)，將圓筒端部節(jié)點(diǎn)與之耦合形成剛性區(qū)域，在獨(dú)立點(diǎn)上直接施加相應(yīng)重力。風(fēng)載荷的施加與重力施加類(lèi)似，首先在圓筒頂端中心處建立獨(dú)立點(diǎn)，關(guān)聯(lián)圓筒端部節(jié)點(diǎn)，然后在獨(dú)立點(diǎn)上直接施加壓力和力矩[7]。

由于通常起重機(jī)正常工作時(shí)為全回轉(zhuǎn)作業(yè)，傾覆力矩的方向在水平面內(nèi)變化，文中選取部分具有代表性的方位角作為計(jì)算工況，其中方位角β為吊臂與船長(zhǎng)指向船首方向的夾角。

工況1：方位角β=0°，起重機(jī)沿船首方向與中縱平行；

工況2：方位角β=45°，起重機(jī)沿船首方向與中縱成45°，偏向舷外；

工況3：方位角β=90°，起重機(jī)與中縱方向夾角為90°，指向左舷；

工況4：方位角β=135°，起重機(jī)沿船首方向與中縱夾角為145°；

工況5：方位角β=180°，起重機(jī)沿船首方向與中縱夾角為180°。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

如表2和圖6、圖7所示，計(jì)算的回轉(zhuǎn)起重機(jī)基座結(jié)構(gòu)中縱艙壁在工況3下應(yīng)力值為262MPa，超出許用應(yīng)力值，且在其他工況下應(yīng)力值都較大，其余構(gòu)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。應(yīng)力集中位置主要集中在基座與周?chē)w構(gòu)件搭接的位置上?；鶊A筒支撐和基座甲板結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較大，這是由于這些構(gòu)件直接承受著起重機(jī)自身設(shè)備、起吊貨物的重量和重量所產(chǎn)生的傾覆力矩以及風(fēng)載荷的作用。甲板下圓柱筒、中縱艙壁、132#橫艙壁的應(yīng)力值較大，這是由于這些構(gòu)件位于基座甲板正下方，需要將基座圓筒支撐的力有效傳遞到船底板上。

通過(guò)表1和表2可知海上過(guò)駁平臺(tái)在吊重出港不同波浪下船體各構(gòu)件強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，然而在起重機(jī)與中縱方向夾角為90°，指向左舷起吊時(shí)，中縱艙壁強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求，因此需要對(duì)起重機(jī)基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

表2 不同方向起重時(shí)船體結(jié)構(gòu)的Von Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

圖6 甲板以上圓筒基座應(yīng)力云圖(工況 3)

圖7 甲板以下圓柱筒應(yīng)力云圖(工況3)

3 起重機(jī)基座結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案研究

針對(duì)高應(yīng)力區(qū)域主要集中在基座圓筒支撐與甲板下橫艙壁及縱艙壁的交接處現(xiàn)象， 從結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件尺寸2個(gè)方面考慮，對(duì)此處結(jié)構(gòu)的薄弱部位采取3種方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，如圖8所示。

圖8 3種方案有限元模型

方案1：保持圓筒基座結(jié)構(gòu)形式，加板厚10mm；

方案2：在圓筒基座結(jié)構(gòu)外側(cè)增設(shè)8塊肘板并對(duì)稱(chēng)分布；

方案3：在圓筒基座結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)增設(shè)橫豎橫隔板，其中板厚為12mm。

對(duì)3種改進(jìn)方案的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接進(jìn)行計(jì)算，選取了應(yīng)力較大構(gòu)件中縱艙壁、132#橫艙壁、基座圓筒支撐、甲板下圓柱筒的應(yīng)力值，并與原方案應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行比較分析，如表3～表6所示。

表3 中縱艙壁各方案應(yīng)力結(jié)果比較

表4 132#橫艙壁各方案應(yīng)力結(jié)果比較

表5 基座圓筒支撐各方案應(yīng)力結(jié)果比較

表6 甲板下圓柱筒各方案應(yīng)力結(jié)果比較

由表 3～表6可知，3 種加強(qiáng)方案加強(qiáng)后，原先應(yīng)力超出許用范圍的中縱艙壁應(yīng)力值現(xiàn)滿足規(guī)范要求，基座圓筒支撐、甲板下圓柱筒、132#橫艙壁等應(yīng)力值較大的船體構(gòu)件在加強(qiáng)后其應(yīng)力值明顯減小。這說(shuō)明3種加強(qiáng)方案都合理，可以達(dá)到此次結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的目的。

與方案1相比，方案2和方案3改進(jìn)效果較好。方案2中雖然增設(shè)肘板對(duì)圓筒基座本身的應(yīng)力有所改善，但在肘板處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中；而方案3中增加縱橫橫隔板不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，說(shuō)明縱橫橫隔板與周?chē)徑募訌?qiáng)構(gòu)件有很好連接，有利于力的傳遞與分散，從而有效降低各構(gòu)件的最大應(yīng)力值。綜合比較，方案3是優(yōu)選結(jié)構(gòu)形式，說(shuō)明起重機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)采用縱橫橫隔板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本文對(duì)海上過(guò)駁平臺(tái)全船結(jié)構(gòu)和基座結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

(1) 船體各構(gòu)件的VonMises應(yīng)力和剪切應(yīng)力均滿足規(guī)范強(qiáng)度要求，說(shuō)明本船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，對(duì)類(lèi)似船舶如起重船、駁船等船體優(yōu)化設(shè)計(jì)和強(qiáng)度評(píng)估具有一定的參考價(jià)值。

(2) 高應(yīng)力區(qū)域主要集中在起重機(jī)基座與主甲板、中縱艙壁和基座圓筒支撐的交匯處，這是由于基座局部集中載荷較大，包括起重機(jī)自重、貨物吊重以及傾覆力矩，因此在今后進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行局部強(qiáng)度校核，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

(3) 基座結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的最大應(yīng)力值主要發(fā)生在90°工況，相比180°的工況應(yīng)力值要大，說(shuō)明支撐結(jié)構(gòu)船寬方向的強(qiáng)度較船長(zhǎng)方向的強(qiáng)度差，起重機(jī)最危險(xiǎn)的作業(yè)形式為吊臂沿船寬方向作業(yè)。

(4) 綜合比較，從強(qiáng)度而言方案3為最優(yōu)方案，說(shuō)明縱橫橫隔板與周?chē)徑膹?qiáng)構(gòu)件有很好連接，有利于力的傳遞與分散，從而有效降低各構(gòu)件的最大應(yīng)力值。

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StrengthCalculationofWholeShipandStrengtheningProgramof
BaseStructure

ZHANGJian，CHANGMan，HEWenxin

(SchoolofNavyArchitectureandOceanEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang212003,Jiangsu,China)

Atypicalnon-self-propelledoffshorelighteringplatformisstudied,andsixtypicaloperatingconditionsareselected.Thestructuralstrengthdirectcalculationmethodisused.Thehullstructurestressandthelawofthedeformationdistributionareobtained.Throughcalculatingthelocalstrengthofthemaindeckandthecranebase,theintersectionoflongitudinalbulkheadstructures,whichwerehighstressareas,thebasestructureresponse,stressdistributionandthemostdangerousworkformsareobtained.Threekindsofstructurestrengtheningprogramsareproposedandacomparativestudyismade.Researchfindingsmayprovidethebasisforthestructuraldesignofoffshorelighteringplatform.

offshorelighteringplatform;structuralstrength;strengtheningprogram

張 健(1977-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)榇芭c海洋工程結(jié)構(gòu)抗沖擊性能。

1000-3878(2017)01-0027-07

U

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