基于CAD/CAE協(xié)同設(shè)計(jì)的海洋工程陸地建造方案設(shè)計(jì)

龐 慶，龐煌煒，劉景生

1.深圳赤灣勝寶旺工程有限公司，廣東 深圳 518068

2.重慶水泵廠有限責(zé)任公司，重慶 400033

海洋工程結(jié)構(gòu)陸地建造的普遍方法是將整個(gè)結(jié)構(gòu)按一定的規(guī)則和方法分解為多個(gè)分片或分結(jié)構(gòu)體，這些分片或分結(jié)構(gòu)體在地面上預(yù)制完成后在履帶吊機(jī)的協(xié)助下，再以一定的順序完成組裝。海洋工程結(jié)構(gòu)外型尺寸和重量都比較大，如導(dǎo)管架（組塊）重量一般在幾千噸到幾萬噸之間，每個(gè)分片或分結(jié)構(gòu)體重量也在幾十噸到幾百噸之間，因此從規(guī)范和安全的角度考慮，都要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核?；贑AD/CAE協(xié)同設(shè)計(jì)理念，在已建立的CAD模型基礎(chǔ)上，采用Workbench對板殼組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體進(jìn)行強(qiáng)度校核，更加快捷和高效。

1 分析思路和方法

打開Workbench有限元軟件讀取已建立的三維實(shí)體文件并完成實(shí)體修改，用抽殼命令將實(shí)體單元轉(zhuǎn)換成殼單元。由于海洋工程結(jié)構(gòu)的焊縫為溶透焊，將殼單元的連接設(shè)置成邊對邊和邊對面的剛性連接方式，既可以選擇程序自動(dòng)產(chǎn)生剛性配對連接，又可以手工選擇配對連接，另外這些配對連接可以編輯、修改和刪除，以模擬出符合實(shí)際的結(jié)構(gòu)。劃分單元，也就是把所有的殼單元網(wǎng)格化，根據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和計(jì)算規(guī)模要求可以設(shè)定網(wǎng)格的尺寸大小形狀，一般選默認(rèn)即可，如果需要也可以再細(xì)化局部網(wǎng)格。完成上述工作后就可以輸入載荷和邊界條件，然后確定需要的輸出內(nèi)容，比如剪應(yīng)力、第四強(qiáng)度等效應(yīng)力、整體變形等，運(yùn)算后就可得到需要的計(jì)算結(jié)果。

2 工程實(shí)例

2.1 滑靴優(yōu)化設(shè)計(jì)

滑靴是一種組合箱型結(jié)構(gòu)，由各種厚度不同的鋼板焊接而成?；プ鳛槌休d和滑動(dòng)的一種結(jié)構(gòu)體，既要承載陸上建造過程中導(dǎo)管架（組塊）產(chǎn)生的重力載荷及滑移裝船時(shí)整個(gè)導(dǎo)管架（組塊）產(chǎn)生的動(dòng)載荷，同時(shí)還要承受海上運(yùn)輸時(shí)各種環(huán)境載荷，因此滑靴傳統(tǒng)上設(shè)計(jì)得很保守。

按詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算報(bào)告單個(gè)滑靴承載重力載荷為864t，拖點(diǎn)拉力為182t。經(jīng)加載計(jì)算后，在保證滑靴的強(qiáng)度條件下，將同樣承載噸位的單個(gè)滑靴結(jié)構(gòu)凈重從35t減少到15t，共減少鋼材用量160t（共8個(gè)滑靴）?；ゼ魬?yīng)力分布云圖如圖1所示，其最大剪應(yīng)力為118.4MPa?；サ刃?yīng)力分布云圖如圖2所示，其最大等效應(yīng)力為213.3MPa。按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003），優(yōu)化設(shè)計(jì)后的滑靴結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。

圖1 滑靴剪應(yīng)力分布云圖

圖2 滑靴等效應(yīng)力分布云圖

2.2 導(dǎo)管架裙樁套筒組件吊裝

裙樁套筒組件吊裝重量為362t，在地面預(yù)制完成后需用3臺吊機(jī)聯(lián)合作業(yè)將裙樁套筒組件吊起就位于離地面約84m的高空結(jié)構(gòu)中。裙樁套筒組件吊點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖3所示，其中吊點(diǎn)1為鋼絲繩直接兜管的連接方式，吊點(diǎn)2和吊點(diǎn)3的連接方式為鋼絲繩通過卡環(huán)連接板吊耳（板吊耳焊接在本體結(jié)構(gòu)上），吊點(diǎn)1和吊點(diǎn)2所在的本體結(jié)構(gòu)為厚壁管其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度按以往應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)是可靠的，吊點(diǎn)3則位于下軛板（板厚70mm）上，目前還沒有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)證明在該處焊接板吊耳的方法是否可行，因此有必要對結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行吊裝強(qiáng)度校核，以確認(rèn)吊點(diǎn)的布置符合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。裙樁套筒組件剪應(yīng)力分布云圖如圖4所示，其最大剪應(yīng)力為25.3MPa。裙樁套筒組件吊裝等效應(yīng)力分布云圖如圖5所示，其最大等效應(yīng)力為45.0MPa。按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）裙樁套筒組件整體吊裝強(qiáng)度符合要求，從這個(gè)角度說明吊裝方案設(shè)計(jì)是可靠的。

圖3 裙樁套筒組件吊裝設(shè)計(jì)（單位：mm）

圖4 裙樁套筒組件吊裝剪應(yīng)力分布云圖

圖5 裙樁套筒組件吊裝等效應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)論

（1）CAD/CAE協(xié)同設(shè)計(jì)充分利用了CAD的建模成果，并將CAD模型轉(zhuǎn)化為CAE計(jì)算模型，減少了CAE煩瑣的建模工作量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了設(shè)計(jì)效率。

（2）CAD/CAE協(xié)同設(shè)計(jì)充分利用了CAD豐富的建模工具，可解決由板、殼焊接組裝形成的較為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核問題。

（3）相較于以往的CAD和CAE割裂開的設(shè)計(jì)方法，CAD/CAE協(xié)同設(shè)計(jì)在海洋工程陸地建造加工設(shè)計(jì)方面具有實(shí)用和推廣價(jià)值。