江 錦，孫華峰，秦立成，任 濤，高 巍

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

本文以渤海某岸電工程5 000 t組塊滑移裝船為例，采用移動(dòng)荷載對裝船過程中的滑道、滑靴進(jìn)行瞬態(tài)受力分析。

整個(gè)分析的難點(diǎn)在于載荷所加載的區(qū)域隨時(shí)間而發(fā)生變化。組塊在裝船過程中，由于牽引絞車的拖拽，重量逐步由碼頭向船上轉(zhuǎn)移。由于船上滑道承受壓力的區(qū)域也是隨著時(shí)間變化的，因此可以用施加移動(dòng)荷載的方法進(jìn)行瞬態(tài)受力分析。基本的分析計(jì)算過程可以概括如下：其一，建立三維模型；其二，瞬態(tài)分析前處理；其三，瞬態(tài)分析設(shè)置及邊界條件；其四，瞬態(tài)分析后處理。利用ANSYS Workbench的Transient Structural模塊可以對這個(gè)過程進(jìn)行仿真模擬。

1 滑道及滑靴受力分析

1.1 裝船過程中滑道受力工況分析

組塊在裝船過程中，滑道受力主要來自于上部組塊的重力。組塊通過滑靴向滑道傳遞重力，滑靴底部為木頭，裝船前一般在滑道表面涂抹黃油以減小摩擦。因此在滑道結(jié)構(gòu)受力分析中，可以忽略相切于上表面的摩擦力，而只分析沿著上表面法向方向的力。隨著組塊逐步前進(jìn)，滑道上受壓的面積和力的大小也隨時(shí)間增加，直至單腿的支撐力全部由陸地轉(zhuǎn)移至滑道。提取SACS結(jié)構(gòu)計(jì)算中裝船工況下的支反力，見表1，以其中B2支撐點(diǎn)的最大值12 227.52 kN作為分析的輸入條件。組塊裝船過程如圖1所示，各支撐點(diǎn)編號如圖 2所示[1]。

圖1 組塊裝船過程示意

圖2 支點(diǎn)布置編號

表1 各支點(diǎn)反力

1.2 滑道有限元模型建立

根據(jù)圖紙建立滑靴模型和滑道模型，見圖3。為了校核滑道在滑靴移動(dòng)過程中的受力狀況，建模時(shí)將滑靴擺在初始位置。滑靴長10 m，單節(jié)滑道長12 m。

圖3 三維實(shí)體模型

利用Workbench進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)為模型指定了Solid187單元。Solid187單元為高階3維10節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，具有二次位移模式，可以更好地模擬不規(guī)則模型?；ズ突乐g利用接觸單元進(jìn)行模擬，采用的單元分別是CONTA174單元和TARGE170單元，見圖4。接觸類型設(shè)定為Frictional，摩擦系數(shù)按DNVGL規(guī)范（見表2） 中給定的數(shù)值取值，取0.15。

表2 DNVGL規(guī)范中摩擦系數(shù)取值

圖4 滑靴和滑道接觸

接觸面定義了滑靴和滑道之間的相互作用，在接觸面上采用相同的網(wǎng)格密度有利于分析結(jié)果更快收斂。在網(wǎng)格的局面控制中，單獨(dú)增加Contact Sizing控制模型以在接觸面上產(chǎn)生大小一致的網(wǎng)格。對滑靴頂面施加向下的力，在滑道底面施加固定約束，對滑靴的左端面施加一個(gè)2.0 m的位移約束，建立如圖5所示的有限元模型。

圖5 三維實(shí)體有限元模型

1.3 計(jì)算方法及參數(shù)設(shè)置

本文研究的計(jì)算方法使用了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，目的在于確定在受隨時(shí)間變化荷載作用下的結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，分析過程涉及了非線性特征。完全法采用完整的系統(tǒng)矩陣計(jì)算瞬態(tài)響應(yīng)，計(jì)算結(jié)果顯示，采用完全法完成瞬態(tài)動(dòng)力分析，在三種分析方法（即完全法、縮減法、模態(tài)疊加法）中，其功能最強(qiáng)，可包括各類非線性特性，利用ANSYS Workbench進(jìn)行分析時(shí)，需要打開結(jié)構(gòu)大變形的影響[2]。

積分時(shí)間步長的大小既影響計(jì)算效率，又影響瞬態(tài)動(dòng)力分析的精度和收斂性。時(shí)間步長越小，精度越高。太大的積分時(shí)間步長會影響較高階模態(tài)的響應(yīng)，從而影響計(jì)算精度。自動(dòng)時(shí)間步長可按響應(yīng)頻率和非線性效果自動(dòng)調(diào)整求解期間的積分時(shí)間步長，對于非線性分析，自動(dòng)時(shí)間步長還會適當(dāng)?shù)卦黾雍奢d，并在達(dá)不到收斂時(shí)回溯到先前收斂的解。計(jì)算時(shí)利用Auto Time Stepping激活自動(dòng)時(shí)間步長，具體的時(shí)間步設(shè)置如表3所示[3]。

表3 瞬態(tài)分析計(jì)算參數(shù)設(shè)置

1.4 計(jì)算結(jié)果分析

在組塊腿支反力和位移約束的作用下，滑靴從滑道的左端滑動(dòng)到了右端，完成了設(shè)定的計(jì)算目標(biāo)，滑靴的位移計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 位移計(jì)算結(jié)果/mm

分別查看滑靴和滑道的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果，滑靴在分析時(shí)長期間的應(yīng)力變化如圖7所示。在分析的開始階段，滑靴的最大應(yīng)力達(dá)到326.48 MPa，但是與相鄰時(shí)間點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果不連續(xù)，圖8中所示最大應(yīng)力出現(xiàn)在滑靴上表面鋼板拼接的轉(zhuǎn)角處，此處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，但是區(qū)域很小，不應(yīng)作為校核滑靴主結(jié)構(gòu)受力分析的參考應(yīng)力?；ヤ摬那?qiáng)度為355 MPa，應(yīng)力最大允許值為355 MPa×0.9=319.5 MPa。從圖中可以看出，滑靴受力在平穩(wěn)階段穩(wěn)定在94 MPa，遠(yuǎn)小于滑靴最大許用應(yīng)力[4]。

圖7 滑靴受力時(shí)間曲線

圖8 滑靴受力云圖/MPa

單獨(dú)分析滑道的受力結(jié)果如圖9所示，在整個(gè)過程中，滑道受到的最大應(yīng)力為200.67 MPa，最大應(yīng)力的區(qū)域是隨著滑靴的移動(dòng)而變化的，大致位于滑靴中心位置的下方，這與實(shí)際的受力情況也非常吻合。按滑道最大許用應(yīng)力為355 MPa×0.9=319.5 MPa進(jìn)行校核，滑道的應(yīng)力在整個(gè)滑動(dòng)過程中沒有超過其許用應(yīng)力[5]。

圖9 滑道受力云圖/MPa

2 結(jié)束語

岸電組塊結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，滑移裝船仍是一種非常重要的選擇。針對滑移裝船中滑靴和滑道的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核問題，采用瞬態(tài)動(dòng)力分析的方法建立有限元模型，并按規(guī)范要求施加接觸摩擦系數(shù)和按實(shí)際運(yùn)動(dòng)施加位移約束，得到了滑靴和滑道對應(yīng)不同時(shí)間的應(yīng)力結(jié)果，同時(shí)得出以下結(jié)論：第一，經(jīng)過瞬態(tài)分析，測試項(xiàng)目中滑道和滑靴的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足裝船要求；第二，瞬態(tài)分析方法用于滑移裝船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核具有一定優(yōu)勢，可以在一次分析結(jié)果中給出結(jié)構(gòu)不同區(qū)域的動(dòng)態(tài)應(yīng)力響應(yīng)。