鋪管船改造門架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

譚慧娟，張 燏，宋 健

(1.江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.靖江新時(shí)代造船有限公司，江蘇 泰州 214500)

0 引言

海洋是人類可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略資源寶庫(kù)，海洋運(yùn)輸及海洋工程輔助用船的高質(zhì)量發(fā)展及技術(shù)創(chuàng)新迫在眉睫。鋪管船因數(shù)量有限無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)海底管道項(xiàng)目施工需求，未來(lái)鋪管船市場(chǎng)前景廣闊，因此需要不斷推進(jìn)現(xiàn)有船舶改造升級(jí)，將現(xiàn)有甲板駁船改造成鋪管船。鋪管船是用于鋪設(shè)海底管道專用的大型設(shè)備，其船體是鋪管設(shè)備的載體，鋪管設(shè)備和鋪管工藝是核心。船尾門架在鋪管作業(yè)時(shí)發(fā)揮重要作用，因此門架的設(shè)計(jì)對(duì)整船的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文研究的改造船總長(zhǎng)約105 m，型寬30.47 m，型深6.41 m，根據(jù)非作業(yè)放置拖航工況和作業(yè)吊裝工況，改造船尾門架系統(tǒng)。為了確保門架結(jié)構(gòu)的安全，采用MSC.PATRAN和NASTRAN軟件對(duì)整個(gè)門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算分析。

1 門架系統(tǒng)布置

某鋪管船船尾的門架系統(tǒng)由門架結(jié)構(gòu)、拉桿結(jié)構(gòu)、門架滑輪組、門架鉤和鋼絲繩組成，通過甲板上的雙滾筒絞車進(jìn)行起吊作業(yè)。門架系統(tǒng)的示意圖(側(cè)視圖)見圖1。

圖1 船尾門架結(jié)構(gòu)布置圖

門架結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)約20 m，拉桿結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)約17 m，除成品件以外的板材材料為D36。門架結(jié)構(gòu)的示意圖(俯視圖及側(cè)視圖)見圖2，拉桿結(jié)構(gòu)的示意圖(俯視圖)見圖3。

圖2 門架結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 拉桿結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元模型

2.1 結(jié)構(gòu)模型

建立模型時(shí)采用三維板梁組合單元。門架和拉桿結(jié)構(gòu)采用平面四邊形板單元描述板格和腹板；局部過渡區(qū)域采用三角形板單元，內(nèi)部橫筋板和縱筋板采用板梁?jiǎn)卧M合的力學(xué)模型。

有限元模型的全局坐標(biāo)Coord0系為直角坐標(biāo)系，軸由艉部指向艏部為正，軸由右舷指向左舷為正，軸垂直向上為正。門架模型上端支座和拉桿支座建立局部坐標(biāo)系。

2.2 邊界條件

模型中門架根部支座和拉桿根部支座的局部坐標(biāo)約束所有線位移，以及約束縱向和垂向角位移。

2.3 計(jì)算載荷

門架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，主要考慮的是鋪管船在風(fēng)浪中航行和作業(yè)時(shí)所受的各種外載荷對(duì)門架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。按照中國(guó)船級(jí)社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》(2007)(以下簡(jiǎn)稱《船起規(guī)范》)規(guī)定，門架及拉桿結(jié)構(gòu)屬于普通起重機(jī)(重型起重機(jī))類。根據(jù)《船起規(guī)范》3.2.2規(guī)定，應(yīng)考慮如下幾種力和載荷：基本載荷；由船舶傾斜所產(chǎn)生的力；風(fēng)力與環(huán)境的影響。

由于鋪管船長(zhǎng)度小于4倍的船寬，根據(jù)《船起規(guī)范》3.2.10、3.2.11及3.2.14條的要求，主要考慮以下5種工況：無(wú)風(fēng)吊重2 700 kN，橫傾3°，縱傾2°；橫向風(fēng)吊重2 700 kN，橫傾3°，縱傾2°；縱向風(fēng)吊重2 700 kN，橫傾3°，縱傾2°；橫向風(fēng)吊重1 800 kN航行，橫傾16.4°；縱向風(fēng)吊重1 800 kN航行，橫傾16.4°。

(1)門架及拉桿質(zhì)量載荷

有限元計(jì)算得到門架重量為389 kN，實(shí)際重量共450 kN，調(diào)整模型屬性密度為8 600 kg/m。

有限元計(jì)算得到單根拉桿重量為97 kN，實(shí)際重量為100 kN，調(diào)整模型屬性密度為8 095 kg/m。根據(jù)《船起規(guī)范》，門架屬于浮式起重機(jī)，取作業(yè)系數(shù)=1.05，起升系數(shù)=1.10。

(2)基本載荷

工作時(shí)門架受到向下拉力約2 700 kN，受力點(diǎn)距艉封板24 m,則門架上端支座受沿鋼絲繩方向的拉力約2 700 kN×24 m/17.8 m=3 640 kN?？紤]作業(yè)系數(shù)、起升系數(shù)，實(shí)際加載在模型中的拉力為4 200 kN。

航行時(shí)受到向下拉力約1 800 kN，受力點(diǎn)距艉封板18 m,則門架上端支座受沿鋼絲繩方向的拉力約1 800 kN×18 m/17.8 m=1 820 kN?？紤]2倍垂向加速度，實(shí)際加載在模型中的拉力為3 640 kN。

該力以MPC加載形式加載于6個(gè)吊耳位置。

很顯然，通過并購(gòu)來(lái)提高行業(yè)的集中度符合行業(yè)發(fā)展的規(guī)律，也符合國(guó)家轉(zhuǎn)型升級(jí)的戰(zhàn)略發(fā)展方向。早已看透這一點(diǎn)的人必然要搶先一步，占領(lǐng)先機(jī)。

(3)載荷匯總

橫向風(fēng)作業(yè)、橫向風(fēng)航行工況下的門架的載荷的分向加速度匯總見表1～表2。其余工況計(jì)算過程類似。

表1 橫向風(fēng)作業(yè)工況下的載荷分向加速度 單位：m/s2

表2 橫向風(fēng)航行工況下的載荷分向加速度 單位：m/s2

(4)拉桿受力分析

計(jì)算得到門架模型中拉桿底端沿拉桿方向的約束反力，將各工況下兩側(cè)拉桿計(jì)算較大值作用于拉桿模型的上端部，取靠舷側(cè)的一側(cè)拉桿的值。

3 結(jié)果分析

(1)許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

根據(jù)《船起規(guī)范》3.2.16.1條，起重機(jī)構(gòu)件許用應(yīng)力[]按下式算得：

(2)應(yīng)力計(jì)算值匯總

門架結(jié)構(gòu)、拉桿的有限元分析中最大應(yīng)力結(jié)果匯總見表3和表4。

表3 門架結(jié)構(gòu)各種工況下D36鋼材的最大計(jì)算應(yīng)力表 單位：MPa

表4 拉桿結(jié)構(gòu)各種工況下D36鋼材的最大計(jì)算應(yīng)力表 單位：MPa

(3)應(yīng)力云圖匯總

門架結(jié)構(gòu)和拉桿的應(yīng)力云圖見圖4～圖9。

圖4 門架所有板單元最大相當(dāng)合成應(yīng)力(單位：Pa)

圖5 拉桿所有板單元的最大相當(dāng)合成應(yīng)力(單位：Pa)

圖6 門架所有梁?jiǎn)卧淖畲罄瓚?yīng)力(單位：Pa)

圖7 門架所有梁?jiǎn)卧淖畲髩簯?yīng)力(單位：Pa)

圖8 拉桿所有梁?jiǎn)卧淖畲罄瓚?yīng)力(單位：Pa)

圖9 拉桿所有梁?jiǎn)卧淖畲髩簯?yīng)力(單位：Pa)

4 結(jié)論

(1)采用有限元軟件模擬門架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)鋪管船在各作業(yè)及航行工況下進(jìn)行計(jì)算分析，能夠更有效地校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；通過應(yīng)力云圖分析更好優(yōu)化門架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(2)在不影響主船體其他結(jié)構(gòu)情況下，該鋪管船的門架改造方案滿足了用戶的使用要求，順利完成船舶用途轉(zhuǎn)換。