半潛式平臺干拖墊木方案優(yōu)化分析

劉起成，袁夢，薛偉杰

（中遠海運特種運輸股份有限公司，廣東 廣州 510623）

半潛式平臺重量通常達數(shù)萬噸，長度達上百米，通常采用半潛船橫裝干拖的方式進行遠洋運輸[1]。打橫的半潛式平臺尺寸相對半潛船船寬過大，四個立柱均外伸于半潛船舷側(cè)，如圖1 所示。即使加裝了外伸結(jié)構(gòu)，平臺變形對載荷傳遞的影響仍不可忽略。設(shè)計變高度的墊木鋪設(shè)方案使得平臺重量較為均勻地傳遞到墊木和船體上是保證平臺、墊木及船體結(jié)構(gòu)安全的重要環(huán)節(jié)。變高度的墊木鋪設(shè)方案在常規(guī)等高度的墊木鋪設(shè)方案的基礎(chǔ)上，考慮貨物自身變形影響，可使貨物變形與墊木高度相互契合，從而確保貨物重量載荷可均勻傳遞[2]。

圖1 平臺配載示意圖剖視圖

通過理論方法設(shè)計的墊木鋪設(shè)方案在實際執(zhí)行時由于各種原因?qū)a(chǎn)生差異，這些差異是否對整體方案產(chǎn)生大的影響值得研究。本文通過現(xiàn)場實測與理論計算結(jié)果進行對比，驗證了變高度的墊木鋪設(shè)方案設(shè)計的合理性，同時，針對現(xiàn)場實際遇到的問題提出了優(yōu)化方案以及理論驗證。

1 變高度墊木設(shè)計

為了將平臺的重量更均勻地傳遞到半潛船上，需要設(shè)計變高度的墊木鋪設(shè)方案[3]，方案設(shè)計簡要流程如下：

（1）根據(jù)平臺重量重心，按靜載小于1N/mm2的應(yīng)力要求預(yù)估需要的墊木總數(shù)量；

（2）根據(jù)平臺的強結(jié)構(gòu)位置，布置等高度墊木；

（3）根據(jù)貨物總重量及墊木的總面積計算實際靜載荷，將靜載荷施加在平臺與墊木接觸的底部結(jié)構(gòu)上，計算平臺的變形，即可得到需要鋪設(shè)三合板的高度，如圖2 所示為平臺變形云圖；

圖2 平臺變形云圖

（4）根據(jù)航行海況選定動載荷工況對上述變高度的墊木鋪設(shè)方案進行校核，若發(fā)現(xiàn)平臺、墊木及半潛船的結(jié)構(gòu)強度不滿足規(guī)范要求，對第二步進行調(diào)整，相應(yīng)增加墊木數(shù)量；

（5）逐步優(yōu)化墊木設(shè)計方案，至平臺、變高度墊木及半潛船的結(jié)構(gòu)強度均滿足規(guī)范要求。

2 現(xiàn)場驗證

2.1 現(xiàn)場測量方案

在變高度的墊木鋪設(shè)方案設(shè)計完成后，需要在平臺浮裝上半潛船之前將變高度的墊木固定在半潛船主甲板的設(shè)計位置上，待平臺定位準確，坐在變高度的墊木上后對其進行綁扎。在完貨綁扎后，對墊木受壓后的高度進行了實際測量，以驗證理論計算的可靠性。變形后的墊木高度測量方案如下：

（1）航行中選取風浪小，船舶運動小的時間段進行測量，以驗證靜載情況下平臺的變形數(shù)據(jù)；

（2）墊木高度沿著半潛船橫向測量位置參考下圖，共測量4 列，每列19 個點。從測量安全方面考慮，對伸出半潛船舷外的墊木高度不予測量，實際測量點位置如圖3 所示。對于墊木的弧形部分，因不便于測量，故僅選取平整處進行高度測量，測量示意圖如圖4 所示；

圖3 測量位置

圖4 測量示意圖

（3）測量方法：預(yù)先制作30 厘米高的工裝，如圖5 所示，剩余高度采用游標卡尺進行測量，每個點測量三次取平均值，以提高測量精度。

圖5 測量工裝

2.2 測量結(jié)果

為檢驗理論計算的可靠性，并為后續(xù)工程設(shè)計提供參考依據(jù)，現(xiàn)場測量了平臺下墊木變形后的總高度值，并與墊木受壓后的理論計算高度（墊木設(shè)計高度減去受壓后的壓縮量）進行了對比。對比結(jié)果如圖6－圖9 所示，其中橫坐標為沿著半潛船橫向墊木的編號，由于墊木均勻布置在平臺的強結(jié)構(gòu)處，故也可以表示為沿著平臺旁通的縱向位置?？v坐標為墊木變形后的總高度值，其中線表示變形后的墊木高度理論值，圓點表示變形后的墊木高度測量值。

圖6 A 組數(shù)據(jù)對比

圖7 B 組數(shù)據(jù)對比

圖8 C 組數(shù)據(jù)對比

圖9 D 組數(shù)據(jù)對比

2.3 誤差討論

通過以上結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，墊木變形后高度的理論值與實際值在整體趨勢上較接近，但也存在一定的誤差。兩者之間誤差產(chǎn)生的主要原因包含以下幾點：

（1）常規(guī)墊木通常按300mm 進行考慮，實際由于加工精度、長期使用等原因，墊木高度會有正負5mm甚至更大的誤差；

（2）船體主甲板表面的平整度以及平臺底部的平整度也會對結(jié)果產(chǎn)生一定的影響；

（3）高度測量時的誤差。

半潛船船體總縱變形雖然也會對測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，考慮到平臺的旁通與半潛船接觸區(qū)域占半潛船船長方向很小的比例，半潛船船體總縱變形對其影響較小，可以忽略。

3 墊木方案優(yōu)化討論

3.1 項目中遇到的問題

在項目執(zhí)行過程中遇到以下兩個主要問題：

問題1，項目中為了更精確地模擬平臺的變形，以5mm 為間距，設(shè)計了4 種三合板，12 種厚度組合的方式，雖然對設(shè)計達到了幾乎完美的擬合，誤差控制在3mm，但是多達12 種厚度組合方式對現(xiàn)場準備工作帶來了極大的挑戰(zhàn)。

問題2，如圖6 至圖9 中可以看出，變形后部分區(qū)域的墊木總高度實際值與設(shè)計值存在較大誤差，數(shù)據(jù)分析顯示最大誤差達到了9mm，局部的誤差是否會導(dǎo)致平臺整體載荷分配發(fā)生較大改變，從而影響平臺結(jié)構(gòu)的安全值得研究。

3.2 提出優(yōu)化方案

針對問題1，建議以10mm 為間距，僅需2 種厚度的三合板，采用5 種組合方式即可較好的模擬平臺變形曲線，從而大大減輕現(xiàn)場的工作量以及出錯概率，減少備艙周期，提高航次經(jīng)濟性。

針對問題2，變形后部分區(qū)域的墊木總高度實際值與設(shè)計值之間的誤差必然產(chǎn)生，通過理論方法分析以明確墊木總高度的誤差與平臺載荷傳遞敏感性之間的關(guān)系，以確保平臺的結(jié)構(gòu)安全。

3.3 優(yōu)化方案驗證

針對問題1，以之前某類似平臺及鋪設(shè)墊木模型為基礎(chǔ)，分別對以5mm 為間距以及10mm 為間距的兩種三合板鋪設(shè)方案進行有限元分析，墊木的壓應(yīng)力云圖結(jié)果如圖10 和圖11 所示，兩者對比發(fā)現(xiàn)，采用10mm 為間距與采用5mm 為間距的方案的應(yīng)力分布基本一致，且墊木最大壓應(yīng)力均為1.18N/mm2，均小于2 N/mm2，滿足規(guī)范[4]中規(guī)定的墊木許用壓應(yīng)力。采用10mm 為間距的有限元模型中應(yīng)力分布不均程度稍大，但在工程上完全可以接受。從而在理論上驗證了采用10mm 為間距對三合板進行設(shè)計在工程應(yīng)用上的合理性。

圖10 墊木壓應(yīng)力云圖（5mm 間距）

圖11 墊木壓應(yīng)力云圖（10mm 間距）

針對問題2，采用兩個有限元模型進行對比。一個有限元模型采用實際的墊木高度進行建模分析，另一個有限元模型在該模型基礎(chǔ)上靠尾側(cè)左舷位置增加20mm厚度的三合板以模擬局部墊木高度出現(xiàn)較大誤差的情況。分別對這兩個有限元模型進行分析，得到墊木的壓應(yīng)力云圖結(jié)果如圖12 和圖13 所示。兩者對比發(fā)現(xiàn)，墊木的整體應(yīng)力云圖基本一致，僅在模型有修改得非常局部的區(qū)域應(yīng)力有些許差別。由此可以判斷，局部墊木高度的差別并不會對平臺整體的應(yīng)力分布產(chǎn)生較大的影響，僅對局部區(qū)域產(chǎn)生部分影響。只需要控制墊木總高度的誤差，墊木即能較為均勻地傳遞平臺載荷。

圖12 墊木壓應(yīng)力云圖（原模型）

圖13 墊木壓應(yīng)力云圖（局部修改模型）

4 建議

本文通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)之間的對比，發(fā)現(xiàn)鋪設(shè)墊木的總高度在靜載條件下實際值與理論值之間存在一些差異。通過對差異的分析以及通過理論上的驗證，為后續(xù)同類型項目的執(zhí)行積累了經(jīng)驗。對后續(xù)類似項目，提出了以下建議：

（1）在使用三合板對平臺變形進行擬合時，建議可采用10mm 間距進行設(shè)計，可以大大減少現(xiàn)場工作量，同時也能保證平臺的結(jié)構(gòu)安全；

（2）在備艙完成后，安排一次現(xiàn)場測量，對偏差較大位置處補充或者減少三合板的鋪設(shè)，控制墊木在裝貨前的實際高度與理論結(jié)果的偏差，從而提高備艙的精度。

（3）為了更準確地監(jiān)測平臺傳遞到墊木上的壓力分布，建議在墊木下布置應(yīng)變片，對航行過程中平臺的應(yīng)力狀態(tài)進行實時監(jiān)控，確保平臺的安全，同時也能對理論分析的結(jié)果進行進一步驗證。