變截面滑靴結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元設(shè)計(jì)

呂 超，楊風(fēng)艷，楊明旺，劉廣輝，谷學(xué)準(zhǔn)

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東青島 266520)

組塊、導(dǎo)管架等大型海洋工程結(jié)構(gòu)物，放置在滑靴上建造，建造完成后通過(guò)滑道完成滑移裝船，滑靴在建造和裝船過(guò)程中，承受著來(lái)自上部結(jié)構(gòu)物的所有荷載。

建造過(guò)程中，由于上部組快、導(dǎo)管架等結(jié)構(gòu)物的重力作用，因此，變截面滑靴強(qiáng)度校核時(shí)，只需要考慮垂直方向的重力載荷，且在整個(gè)建造過(guò)程中重力會(huì)隨著上部結(jié)構(gòu)物的總裝逐漸變大；裝船時(shí)，由于受到來(lái)自拉力千斤頂?shù)乃椒较蛲献ё饔?，變截面滑靴不僅僅受到重力載荷作用，還受到水平載荷作用；除此以外，裝船時(shí)還需要考慮上部結(jié)構(gòu)物樁腿失效造成的變截面滑靴受到載荷變大的工況。根據(jù)不同的裝船方式，滑靴主要分為連續(xù)滑靴、變截面滑靴和等截面滑靴等。本文以變截面滑靴為研究對(duì)象，使用ANSYS軟件，剖析滑靴強(qiáng)度的有限元分析技術(shù)。

1 單元類(lèi)型選擇

ANSYS軟件提供了多種殼單元，如SHELL41、SHELL43、SHELL51、SHELL63、SHELL141、SHELL181。其中，SHELL63單元是最常用的一種彈性薄殼單元。類(lèi)似的單元包括：SOLID46、SOLID64、SOLID65、SOLID92、SOLID95、SOLID185等。

為使設(shè)計(jì)結(jié)果更加準(zhǔn)確，根據(jù)變截面滑靴由薄板、薄殼組成的特點(diǎn)，對(duì)變截面滑靴的有限元模擬，應(yīng)該采用殼單元還是實(shí)體單元，可以使用使用單根梁為例，通過(guò)對(duì)比計(jì)算，選擇合適的單元類(lèi)型。需要提前設(shè)置號(hào)的有限元模型參數(shù)主要包括，彈性模量，泊松比，梁的截面尺寸和長(zhǎng)度，本文使用空心的矩形截面梁。約束情況可以使用最簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)支梁或懸臂梁，載荷位置最好在簡(jiǎn)支梁的中間或者懸臂梁的終端，本文使用懸臂梁并將載荷施加在梁的自由端。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比不同單元類(lèi)型情況下，梁跨中截面正應(yīng)力值可知，殼單元有限元解比理論值偏低；實(shí)體單元有限元解與理論值吻合較好，且高階單元(SOLID186、SOLID187)有限元解明顯優(yōu)于低階單元(SOLID185、SOLID285)。變截面滑靴有限模型(殼單元、實(shí)體)見(jiàn)圖1、圖。相應(yīng)地，采用高階單元進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)所消耗的時(shí)間明顯高于低階單元。

圖1 變截面滑靴有限模型(殼單元)

圖2 變截面滑靴有限模型(實(shí)體)

對(duì)于實(shí)體單元，當(dāng)網(wǎng)格尺寸不同時(shí)，有限元所得的解會(huì)不相同，SOLID186-20單元的節(jié)點(diǎn)六面體受單元尺寸的影響更加明顯。但當(dāng)SOLID185單元尺寸進(jìn)一步縮小時(shí)，有限元解變化不大，求解耗時(shí)卻大幅增加。因此，本文使用Solid185對(duì)變截面滑靴進(jìn)行有限元強(qiáng)度計(jì)算。

2 倒角

在采用相同模型、不同網(wǎng)格尺寸條件下，無(wú)倒角和有倒角的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表1，圖3、圖4。

表1 無(wú)倒角和有倒角應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖3 無(wú)倒角模型計(jì)算結(jié)果

圖4 0.6倍倒角模型計(jì)算結(jié)果

無(wú)倒角的應(yīng)力結(jié)果隨網(wǎng)格密度增大，在板直角相接處的應(yīng)力集中也會(huì)逐步增大；對(duì)比相同網(wǎng)格尺寸下，無(wú)倒角與倒角后的應(yīng)力值，倒角對(duì)應(yīng)力集中有一定的調(diào)節(jié)作用，且隨網(wǎng)格加密調(diào)節(jié)作用越明顯。

3 樁腿高度

分別使用高度為1/4，1/2，3/4，1倍樁腿直徑的樁腿高度進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)支撐樁腿高度在上述四種高度之間變化時(shí)，整個(gè)滑靴的米塞斯應(yīng)力計(jì)算結(jié)果差別非常小，樁腿高度對(duì)于變截面化學(xué)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)的影響可以忽略。另外，從支撐導(dǎo)管應(yīng)力分布圖中可以看出，當(dāng)導(dǎo)管高度較小時(shí)，頂部與底部應(yīng)力值較大的區(qū)域交織在一起，這屬于圣維南原理現(xiàn)象，此時(shí)的樁腿高度不合理。在這種樁腿高度條件下，不能消除邊界效應(yīng)問(wèn)題。隨著樁腿高度增加，這種影響會(huì)逐步減小直至消失。因此，選擇有限元模型的樁腿高度為1/2直徑較為合適。

4 變截面滑靴有限元模型

滑靴鋼結(jié)構(gòu)部分采用實(shí)體單元，滑靴底部和滑道直接接觸的木材，考慮各項(xiàng)異性。載荷施加在頂部樁腿薄殼面上。對(duì)于有限元模型的約束位置，可以施加在滑靴底部墊木上，在墊木中線位置、地面位置和前后左右的側(cè)面位置施加約束(見(jiàn)圖5、圖6)。

計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)比XYZ約束及正交約束，兩種約束方案關(guān)鍵位置處的最大米塞斯應(yīng)力大小及位置均近似一致；不同約束方案米塞斯應(yīng)力變化不大，表明約束對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不大，其原因在于滑靴結(jié)構(gòu)及載荷均對(duì)稱(chēng)，且載荷方向豎直向下。

圖5 變截面滑靴有限元模型

圖6 變截面滑靴墊木材有限元模型

5 變截面滑靴裝船過(guò)程平穩(wěn)工況下有限元設(shè)計(jì)

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，采用彈性分析時(shí)，米塞斯應(yīng)力最大值超過(guò)屈服強(qiáng)度；由于拖點(diǎn)應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力，故采用彈塑性分析，此時(shí)米塞斯應(yīng)力最大值還是超過(guò)屈服強(qiáng)度，最大米塞斯應(yīng)力發(fā)生位置在拖點(diǎn)處；如果不考慮拖點(diǎn)，滑靴最大米塞斯應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度。根據(jù)彈性分析計(jì)算結(jié)果，底部鋼板米塞斯應(yīng)力最大值為也遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度；下表面應(yīng)力分布比上表面更加均勻?；ロ敯迮c樁腿米塞斯應(yīng)力最大值低于屈服極限。最大米塞斯應(yīng)力在樁腿與頂板接觸處；根據(jù)彈性分析結(jié)果，在樁腿位置處部分單元進(jìn)入塑性階段(見(jiàn)圖7)。

圖7 平穩(wěn)工況下受力分析模型

通過(guò)對(duì)比分析塑性計(jì)算結(jié)果，變截面滑靴頂部鋼板與樁腿的接觸位置，并未發(fā)生塑性變形，但是應(yīng)力計(jì)算結(jié)果高出其它位置，所以，在實(shí)際工程中，此位置應(yīng)當(dāng)布置加強(qiáng)筋板，提高該位置的承載能力。另外，裝船工況下，該位置的應(yīng)力比建造工況下變大，主要原因在于，一個(gè)方向受到壓力作用、另外一個(gè)方向受到拉力作用。

6 變截面滑靴裝船過(guò)程不平穩(wěn)工況下有限元設(shè)計(jì)

裝船時(shí)，使用拉力千斤頂拖拉變截面滑靴前端的拖點(diǎn)，拖拽里的作用方向?yàn)樗椒较颍撍椒较虻牧χ饕朔阶兘孛婊ズ突腊逯g的摩擦力，由于已經(jīng)提前鋪設(shè)特氟龍板在滑道板上，因此，滑靴下方木頭和滑道板間的靜摩擦系數(shù)取0.2。裝船過(guò)程中，滑靴部分位于碼頭側(cè)的滑道上面，部分轉(zhuǎn)移到了船舶上的鋼制滑道。若船體下沉，則會(huì)對(duì)滑靴底部的約束產(chǎn)生影響?；ド洗糠中∮诙种唬瑒t陸地部分依然XYZ全約束，上船部分懸空，予以放松約束；滑靴上船部分大于二分之一，則滑靴轉(zhuǎn)移至船上，由駁船承載。

圖8 滑靴裝船過(guò)程受力分析模型

6.1 滑靴八分之七位于陸地有限元結(jié)果分析

采用彈性分析時(shí)，米塞斯應(yīng)力最大值超過(guò)屈服強(qiáng)度；由于拖點(diǎn)應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力，故采用彈塑性分析，此時(shí)米塞斯應(yīng)力最大值還是超過(guò)屈服強(qiáng)度，最大米塞斯應(yīng)力發(fā)生位置在拖點(diǎn)處；墊木應(yīng)力最大值發(fā)生位置在約束改變處；主要原因是部分懸空使得墊木承受較大應(yīng)力，類(lèi)似于剪切變形。根據(jù)塑性分析計(jì)算結(jié)果，底部鋼板米塞斯應(yīng)力最大值未超過(guò)屈服極限；下表面應(yīng)力分布比上表面更加均勻。滑靴頂板與樁腿連接位置處，米塞斯應(yīng)力最大值低于屈服極限。最大米塞斯應(yīng)力在樁腿與頂板接觸處；根據(jù)彈性分析結(jié)果，在樁腿位置處單元仍處于彈性，但該處應(yīng)力高于其他位置應(yīng)力較多。在樁腿與滑靴頂部鋼板接觸位置，計(jì)算結(jié)果和第5部分分布規(guī)律相同，主要原因在于，一個(gè)方向受到壓力作用、另外一個(gè)方向受到拉力作用。根據(jù)彈塑性分析結(jié)果，米塞斯應(yīng)力最大點(diǎn)首先出現(xiàn)在與水平方向夾角為45度的兩個(gè)點(diǎn)，然后向中部擴(kuò)散，在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)采取相應(yīng)措施。

6.2 滑靴八分之六位于陸地有限元結(jié)果分析

圖9 滑靴八分之六位于陸地受力分析模型

采用彈性分析時(shí)，米塞斯應(yīng)力最大值超過(guò)屈服強(qiáng)度；由于拖點(diǎn)應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力，故采用彈塑性分析，此時(shí)米塞斯應(yīng)力最大值還是超過(guò)屈服強(qiáng)度，最大米塞斯應(yīng)力發(fā)生位置在拖點(diǎn)處；滑靴墊木應(yīng)力值最大值出現(xiàn)在極個(gè)別單元。底部鋼板應(yīng)力分布規(guī)律與約束位置關(guān)系密切；已上船部分鋼板應(yīng)力明顯高于未上船部分。對(duì)于滑靴頂板與樁腿，應(yīng)力大小及分布規(guī)律變化與其他階段相比變化不大對(duì)于拖點(diǎn)，應(yīng)力大小及分布規(guī)律變化與其他階段相比變化不大；主要原因在于：拖點(diǎn)主要承受拉力作用，上部樁腿傳遞到拖點(diǎn)的壓力對(duì)拖點(diǎn)影響較小(見(jiàn)圖9)。

6.3 滑靴八分之四上船有限元結(jié)果分析

圖10 滑靴八分之四上船受力分析模型

采用彈性分析時(shí)，米塞斯應(yīng)力最大值遠(yuǎn)超過(guò)屈服強(qiáng)度；由于拖點(diǎn)應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力，故采用彈塑性分析，此時(shí)米塞斯應(yīng)力最大值還是超過(guò)屈服強(qiáng)度，最大米塞斯應(yīng)力發(fā)生位置在拖點(diǎn)處；在上船到一半的時(shí)候，若發(fā)生船體下沉，墊木應(yīng)力高；建議應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控上船至一半的過(guò)程。在上船到一半的時(shí)候，若發(fā)生船體下沉，底部鋼板應(yīng)力高；建議應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控上船至一半的過(guò)程。在底部鋼板上應(yīng)力分布規(guī)律極不平均。對(duì)于滑靴頂板與樁腿，上船到變截面滑靴中間位置時(shí)，應(yīng)力大小及分布規(guī)律變化不大(見(jiàn)圖10)。

7 結(jié)論

在上船過(guò)程中，當(dāng)變截面滑靴一半上船后，滑靴底部墊木及鋼板應(yīng)力變大。這是由于滑靴上部結(jié)構(gòu)物的立柱位置正好在滑靴的中間位置，此時(shí)，將會(huì)在滑靴和滑道前沿的接觸位置，對(duì)底部墊木及鋼板產(chǎn)生剪切應(yīng)力，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，建議滑靴上船快到中間位置時(shí)，應(yīng)讓駁船負(fù)載，避免樁腿彎矩過(guò)大造成破壞。對(duì)于拖點(diǎn)，在上船過(guò)程中，其應(yīng)力大小及規(guī)律均變化不大。主要原因在于：拖點(diǎn)主要承受拉力作用，上部樁腿傳遞到拖點(diǎn)的壓力對(duì)拖點(diǎn)影響較小。變截面滑靴和樁腿連接位置處，在裝船過(guò)程中，船舶和碼頭之間的高差發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)力值和分布規(guī)律沒(méi)有明顯變化。主要原因在于：該部位主要承受來(lái)自樁腿的壓力作用，拖點(diǎn)的水平力對(duì)該部位影響較小。