曾凡權(quán)，唐文勇，閆會(huì)賓

（上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

0 引 言

導(dǎo)管架因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)而在海洋石油開發(fā)、海上風(fēng)電及海上其他資源開發(fā)方面得到廣泛應(yīng)用，并將在未來(lái)的海洋資源開發(fā)中繼續(xù)發(fā)揮重要作用。

一個(gè)優(yōu)秀的導(dǎo)管架設(shè)計(jì)方案應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)在建造、安裝和使用過(guò)程中可能遇到的各種工況，并以此為基礎(chǔ)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。運(yùn)輸分析是Pre-service分析中的重要一環(huán)，特別是隨著導(dǎo)管架日益大型化，運(yùn)輸分析在整體設(shè)計(jì)中的作用不斷提高。在目前的導(dǎo)管架運(yùn)輸分析中，船體運(yùn)動(dòng)荷載的預(yù)報(bào)多采用規(guī)范[1]推薦的方法，即直接給出橫搖和縱搖等運(yùn)動(dòng)的幅度及相應(yīng)的周期（有關(guān)該方法的應(yīng)用實(shí)例可參考文獻(xiàn)[2]）。該方法 雖然簡(jiǎn)單，但并未考慮項(xiàng)目的差異性，導(dǎo)致推薦荷載值比實(shí)際值偏大很多，從而使得結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守。因此，工程中為降低成本，往往需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)船體運(yùn)動(dòng)載荷進(jìn)行預(yù)報(bào)，由此需用更簡(jiǎn)單合理的處理方法。

目前，已有部分學(xué)者對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行研究。蔡元浪等[3]對(duì)深水導(dǎo)管架的運(yùn)輸方法進(jìn)行總體概括；沈華[4]對(duì)貨物在運(yùn)輸過(guò)程中受到的慣性力進(jìn)行研究；王冬姣[5]對(duì)海洋平臺(tái)在運(yùn)輸過(guò)程中遇到的最大慣性力進(jìn)行探討；梁學(xué)先等[6]對(duì)MOSES軟件在導(dǎo)管架安裝分析中的應(yīng)用進(jìn)行介紹；孫玉柱等[7]對(duì)Ansys在上部組塊運(yùn)輸中的運(yùn)用進(jìn)行研究；柴佳春等[8]對(duì)半潛船運(yùn)輸鉆井平臺(tái)可行性方法進(jìn)行探討。本文以此為基礎(chǔ)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際工程算例，對(duì)導(dǎo)管架運(yùn)輸分析的基本原理、基本流程和在結(jié)構(gòu)仿真過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行探討，提出一種較為高效的載荷處理方法，并對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況確定邊界條件，使考慮的問(wèn)題更加全面。此外，整理出一份完整的海洋平臺(tái)運(yùn)輸分析流程，供相關(guān)人員參考。

1 運(yùn)輸分析的基本原理

達(dá)朗貝爾原理是運(yùn)輸分析的基礎(chǔ)，用于將動(dòng)力學(xué)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問(wèn)題，也稱動(dòng)靜法[9]。

在工程實(shí)際中，為簡(jiǎn)化計(jì)算，通常將導(dǎo)管架和駁船看成一個(gè)剛體，該系統(tǒng)有6個(gè)自由度（橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖），各自由度之間相互獨(dú)立，即共有3個(gè)沿坐標(biāo)軸的線加速度及3個(gè)繞坐標(biāo)軸的角加速度。根據(jù)剛體的平面運(yùn)動(dòng)定理[9]，只要采用動(dòng)靜法計(jì)算出1個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，即可根據(jù)該點(diǎn)求出整個(gè)結(jié)構(gòu)的慣性力，這就是運(yùn)輸?shù)幕驹怼Ｔ擖c(diǎn)稱為運(yùn)動(dòng)中心，在工程實(shí)際中通常將結(jié)構(gòu)物的重心作為旋轉(zhuǎn)中心。

2 計(jì)算方法和計(jì)算流程

結(jié)構(gòu)計(jì)算的準(zhǔn)確性主要取決于結(jié)構(gòu)物本身模擬的相似度、外力模擬的合理性和邊界條件的處理等3個(gè)要素。三者缺一不可。目前拖航分析有以下2種方法：

1) 規(guī)范推薦采用的給定橫搖/縱搖角和與之相應(yīng)的周期及垂蕩加速度，通過(guò)正負(fù)組合得到不同的工況；

2) 用水動(dòng)力分析軟件計(jì)算出船舶的運(yùn)動(dòng)特性并將這些特性作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)。

在第1種方法中，規(guī)范給的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度往往較大，計(jì)算出的結(jié)果偏保守，因此在詳細(xì)的運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)中多采用第2種方法，即本文推薦的方法。

2.1 MOSES和SACS

MOSES和SACS是海洋工程中普遍采用的有限元計(jì)算軟件，其中：MOSES軟件主要用于水動(dòng)力分析；SACS軟件集成有多個(gè)規(guī)范，主要用于處理導(dǎo)管架等桁架結(jié)構(gòu)的有關(guān)問(wèn)題。目前的普遍做法是采用MOSES軟件進(jìn)行水動(dòng)力分析，將水動(dòng)力分析結(jié)果運(yùn)用到SACS軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或其他響應(yīng)分析，比較常見的有下水分析、運(yùn)輸分析和坐底穩(wěn)性等，這種方法充分利用2種軟件的優(yōu)點(diǎn)，使計(jì)算結(jié)果更加可靠。

2.2 結(jié)構(gòu)的模擬

建立的模型要盡量準(zhǔn)確，下水支架、滑道及兩者之間的木材要根據(jù)實(shí)際尺寸進(jìn)行模擬，以保證緊固件受力大小和方向的準(zhǔn)確性。原則上，在運(yùn)輸過(guò)程中所有結(jié)構(gòu)都要模擬，但在實(shí)際操作中可略去一些對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響不大和質(zhì)量較小的結(jié)構(gòu)（如“J型管”及其支撐、小的排水管和犧牲陽(yáng)極等），這樣處理不僅能使模型變得簡(jiǎn)潔，而且不會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

此外，緊固件沿船長(zhǎng)方向必須布置在駁船的強(qiáng)肋位上，該方式是最高效的傳力路徑，同時(shí)對(duì)駁船的甲板有保護(hù)作用，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)駁船的情況合理布置緊固件。

2.3 外力的模擬

2.3.1 重力

對(duì)于重力的模擬，除了結(jié)構(gòu)重力以外，還需注意結(jié)構(gòu)重量，可通過(guò)在相應(yīng)位置加質(zhì)量點(diǎn)的方式模擬。

2.3.2 慣性力的模擬和簡(jiǎn)化方法

在運(yùn)輸過(guò)程中，有 2種力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響最大，即：運(yùn)動(dòng)的慣性力和“重力分量”，后者為傾斜導(dǎo)致的重力沿平行于甲板方向的分量（“G-sin效應(yīng)”，以下簡(jiǎn)稱“重力分量”）。在實(shí)際操作中，可將傾斜時(shí)的重力分解為正浮時(shí)的重力和重力分量2部分（見圖1）。正浮狀態(tài)單獨(dú)計(jì)算，重力分量與慣性力組合成總的慣性力，最后將兩者組合得到總的受力。這樣處理可統(tǒng)一模型，方便計(jì)算。

圖1 重力分量的處理

根據(jù)蔡元浪等[3]的觀點(diǎn)，切片理論能較好地反映單體船在低速運(yùn)行時(shí)的水動(dòng)力特性。MOSES軟件能運(yùn)用切片理論，采用頻域分析手段預(yù)測(cè)駁船的運(yùn)動(dòng)特性，其做法為：

1) 利用輸入的波陡對(duì)阻尼線性化或輸入基于模型試驗(yàn)得到的阻尼；

2) 計(jì)算響應(yīng)算子（RAO）；

3) RAO與輸入的海況組合，獲得不同統(tǒng)計(jì)概率下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)值。

對(duì)于運(yùn)輸分析，一般要考慮 8 個(gè)方向的波浪（000°，045°，090°，135°，180°，225°，270°，315°），在每個(gè)方向上可得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)的最大線加速度和角加速度，分別為R、P、Y、SW、SU、H（在計(jì)算中忽略角速度（即徑向加速度）的影響，根據(jù)沈華[4]的觀點(diǎn)，對(duì)于搖蕩運(yùn)動(dòng)，在橫搖或縱搖達(dá)到最大角度時(shí)，角加速度達(dá)到最大，此時(shí)離心力為0）。因?yàn)?個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)是相互獨(dú)立的，若隨機(jī)進(jìn)行疊加，同時(shí)考慮8個(gè)方向，共有512種組合，這在工程上是不能接受的，故應(yīng)對(duì)這些極值的方向進(jìn)行預(yù)判，以減少計(jì)算量。圖2為波浪方向示意。

假設(shè)浪向?yàn)?90°時(shí)船舶具有正向的橫蕩SW+，此時(shí)若角加速度取負(fù)值R-，由質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理[9]和質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)量矩定理[9]可知兩者組合時(shí)對(duì)貨物支撐（包括緊固件、下水支架和滑道）的作用力最大，因此該方向下這種組合可認(rèn)為是極端工況，即在該組合中橫搖方向與橫蕩方向相反（見圖3）?？v搖P和縱蕩SU也類似，但這2種加速度組合時(shí)方向相同，艏搖和升沉運(yùn)動(dòng)取所有方向。以此為準(zhǔn)，整理出波浪在090°方向和270°時(shí)的計(jì)算工況見表1。

圖 2 波浪方向示意

圖 3 浪向?yàn)?090°時(shí)的慣性力組合示意

同理可得其余7個(gè)浪向下的加速度。通過(guò)該方法，可將最終的計(jì)算工況變成64個(gè)，不僅大大減少了計(jì)算量，而且對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。

表1 浪向?yàn)?90°和270°工況下加速度的組合方式

2.4 邊界條件的模擬

2.4.1 運(yùn)輸時(shí)的邊界條件問(wèn)題

在處理邊界條件時(shí)需考慮其真實(shí)的受力情況，大型導(dǎo)管架的裝船步驟（見圖4）一般為：

1) 通過(guò)滑道緩慢滑移至駁船上，移到指定位置停下；

2) 安裝緊固件，將緊固件的一端與導(dǎo)管架的主腿焊接，另一端與駁船的甲板焊接，以保證能承受側(cè)向載荷（見圖5）。

從安裝過(guò)程中可發(fā)現(xiàn)2個(gè)關(guān)鍵的邊界問(wèn)題，即：下水支架只承受壓力（即重力）而不承受拉力；緊固件在安裝過(guò)程中不承受重力，只在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中承受慣性力。絕大部分的工程計(jì)算都沒有考慮這種邊界條件，本文以業(yè)內(nèi)普遍做法為基礎(chǔ)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)這種邊界條件的模擬進(jìn)行研究。

圖4 導(dǎo)管架裝船示意

2.4.2 邊界條件的處理

對(duì)于下水架，木塊和滑道可用一根桿件進(jìn)行模擬，該桿件布置在主腿上的每個(gè)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)（硬點(diǎn)）上，同時(shí)將該桿件設(shè)置為gap element（屬性設(shè)置為只承受壓力）。通過(guò)這樣處理，將連續(xù)的滑道變成沿主腿分布的有限對(duì)只承受壓力的支撐。

對(duì)于緊固件，因其獨(dú)有的結(jié)構(gòu)形狀和受力方式，需對(duì)其進(jìn)行特別考慮。首先，為方便焊接和切割，緊固件的兩端各焊接一塊板，該板與甲板和主腿直接焊接。由于該板承受面外彎矩的能力很弱，因此需進(jìn)行自由度釋放，使其不受面外彎矩（見圖5）?；谠撎攸c(diǎn)，在分析時(shí)應(yīng)特別考慮下水支架是否會(huì)脫離滑道，即緊固件是否會(huì)產(chǎn)生面外彎矩。同時(shí)，考慮其受力過(guò)程，需用2個(gè)模型，其中：第1個(gè)模型中結(jié)構(gòu)只承受重力，這時(shí)可將緊固件設(shè)置成 gap element (屬性設(shè)置為只承受拉力) ，同時(shí)剛度設(shè)一個(gè)極小值（如 0.1），這樣做相當(dāng)于緊固件沒有受力；第2個(gè)模型將緊固件設(shè)置為正常狀態(tài)，以承受慣性力。

2.5 計(jì)算流程

1) 使用第1個(gè)模型，計(jì)算只有下水支架支撐時(shí)的受力情況（即圖 1中的正浮工況）。將結(jié)構(gòu)自重與其他附屬構(gòu)件的重力相結(jié)合并考慮一定安全系數(shù)之后生成總力（如STWZ）。計(jì)算時(shí)，將緊固件設(shè)置成只承受拉伸的單元，以模擬裝船后未通過(guò)緊固件固定時(shí)的邊界條件。

2) 使用第2個(gè)模型，生成慣性力（即圖1中重力分量與運(yùn)動(dòng)慣性力的組合），首先將主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量相結(jié)合并考慮一定的系數(shù)（與第一步相同）之后得到總質(zhì)量，再通過(guò)該總質(zhì)量計(jì)算慣性力，如表1中浪向?yàn)?90°時(shí)可得出8種工況（0901，0902，0903，0904等）

3) 判斷下水支架只有重力的情況下受到慣性力是否會(huì)脫離滑道（若脫離，則是危險(xiǎn)工況，需特別考慮相應(yīng)脫離點(diǎn)）。由步驟1)可知圖 5中的A點(diǎn)只受重力的反力，將該力讀出并加到B點(diǎn)，方向沿z軸向下，對(duì)其他支撐作類似處理，便得到一個(gè)工況（RACT）。將該工況與步驟2)中的工況組合，得到組合工況090A、090B、090C、090D等（即090A=0901+RACT，090B=0902+RACT等），這樣由邊界點(diǎn)反力便可知道在慣性力作用下下水支架是否還與滑道緊密相貼。

4) 慣性力與重力組合。該步驟是對(duì)前面計(jì)算的力進(jìn)行線性疊加，得到新的工況 090I、090J、090K、090L等（即090I=STWZ+090A-RACT）。

5) 根據(jù)要求的規(guī)范進(jìn)行桿件強(qiáng)度和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核，同時(shí)通過(guò)讀取緊固件的桿端力對(duì)焊接強(qiáng)度和甲板強(qiáng)度進(jìn)行校核。

圖5 滑道和緊固件簡(jiǎn)圖

3 工程算例與驗(yàn)證

工程算例基于MOSES軟件和SACS軟件對(duì)駁船與導(dǎo)管架組成的系統(tǒng)進(jìn)行分析，側(cè)重于分析導(dǎo)管架的強(qiáng)度相關(guān)問(wèn)題。在導(dǎo)管架分析中，UC值可綜合體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)和桿件的強(qiáng)度與剛度，在工程中應(yīng)用廣泛，因此該算例可用UC值來(lái)衡量結(jié)構(gòu)的性能。

3.1 環(huán)境條件

風(fēng)速為13.95m/s（10m高處的風(fēng)速）；波浪高Hs為4.50m，譜峰周期Tp為9～12s；流速為0.33m/s。出于保守考慮，風(fēng)和浪同向。

3.2 總體布置圖

總體布置模型（MOSES軟件模型）見圖6。

圖6 總體布置模型（MOSES軟件模型）

3.3 相關(guān)參數(shù)

駁船和導(dǎo)管架相關(guān)系數(shù)見表2。

表2 駁船和導(dǎo)管架相關(guān)參數(shù)

3.4 運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果

導(dǎo)管架重心的運(yùn)動(dòng)參數(shù)見表 3，列出的是考慮重力分量的總慣性力?？紤]結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的影響，在實(shí)際操作中可取對(duì)應(yīng)方向的極值，如浪向?yàn)?90°和270°工況下，運(yùn)動(dòng)參數(shù)只取兩者之中的大值（如橫搖取2.787，縱搖取0.428，以此類推）。

表3 導(dǎo)管架重心的運(yùn)動(dòng)參數(shù)

3.5 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證與分析

在導(dǎo)管架的運(yùn)輸分析中，關(guān)心主節(jié)點(diǎn)、緊固件和主結(jié)構(gòu)等3種結(jié)構(gòu)的UC值。該算例首先對(duì)512種工況進(jìn)行計(jì)算，并整理出各方向的UC值和總體的UC值，同時(shí)分別與本文推薦的方法相對(duì)比。在數(shù)據(jù)處理中，將對(duì)應(yīng)角度（如000°和180°，045°和225°）的浪向角歸為1種工況，找出在該工況下最極端的結(jié)構(gòu)。由于在不同浪向角下波浪載荷影響的結(jié)構(gòu)不一樣，因此每種工況下的危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)不盡相同。但是，在同一種工況下最危險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)相同，只是在數(shù)值上有一定差異。為方便起見，在以下分析中用UC1代表所有工況的計(jì)算結(jié)果，用UC2代表選擇工況的計(jì)算結(jié)果。

3.5.1 主節(jié)點(diǎn)的比較

主節(jié)點(diǎn)比較見表4。由表4可知，選擇工況的計(jì)算結(jié)果與所有工況計(jì)算結(jié)果之間的差別不大，說(shuō)明在主節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度上選擇工況能較好地模擬出最極端的節(jié)點(diǎn)受力。

表4 主節(jié)點(diǎn)比較

3.5.2 緊固件的比較

主要桿件強(qiáng)度校核見表5。由表5可知，除了090°和270°，其他角度上UC1與UC2存在一定的差異，選擇工況并不能很好地體現(xiàn)這些角度下的緊固件受力情況。

表5 主要桿件強(qiáng)度校核

3.5.3 主結(jié)構(gòu)的比較

主結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核見表6。由表6可知，UC1與UC2除了少數(shù)幾根桿件以外，其余桿件相差不大，說(shuō)明選擇工況都能較好地預(yù)測(cè)主要桿件的受力情況。

表6 主結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

3.5.4 總體校核

對(duì)所有512種工況和選擇的64種工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，得到總的運(yùn)輸校核結(jié)果見表7。

表7 總體校核結(jié)果比較

由表7可知，UC1與UC2相差不大，說(shuō)明選擇工況能很好地模擬結(jié)構(gòu)最極端的受力狀況。更進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是選擇的64種工況還是所有512種工況，最極端的情況都出現(xiàn)在090°和270°，而選擇工況在這2個(gè)方向上是吻合的最好的。許多工程計(jì)算都只考慮090°和270°工況，這時(shí)可只計(jì)算16種工況，且能得出較準(zhǔn)確的結(jié)果。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以工程實(shí)例為基礎(chǔ)，介紹導(dǎo)管架運(yùn)輸分析的基本原理；針對(duì)目前導(dǎo)管架運(yùn)輸分析過(guò)于保守的問(wèn)題，提出一種新的計(jì)算方法。選擇需計(jì)算的工況，將原本需計(jì)算的512種工況減少到64種，大大減少了計(jì)算量。通過(guò)與512種工況相對(duì)比發(fā)現(xiàn)，選擇工況能很好地選出最危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)位置并體現(xiàn)出危險(xiǎn)程度。同時(shí)，通過(guò)對(duì)導(dǎo)管架實(shí)際安裝運(yùn)輸流程進(jìn)行分析，針對(duì)目前多數(shù)導(dǎo)管架分析中邊界條件設(shè)置不合理的問(wèn)題，提出了更為合理的邊界條件，整理出了一份計(jì)算流程。

本文采用的計(jì)算原理、計(jì)算方法和邊界條件等都可推廣應(yīng)用到半潛式、Spar等大型海洋工程結(jié)構(gòu)物的運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)中。