大型組塊拖航運輸強度分析研究

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(海洋石油工程股份有限公司設(shè)計公司 浮式結(jié)構(gòu)設(shè)計部，天津 300451)

隨著我國海洋石油工業(yè)不斷向著“深水進軍”，組塊的總體規(guī)模越來越大，最近的南海項目組塊的重量已超過3萬t，創(chuàng)歷次之最。在駁船運輸組塊的過程中，在波浪載荷作用下，駁船的柔度對組塊的結(jié)構(gòu)強度會產(chǎn)生很大的影響，這和以往在不需要考慮船體變形因素的條件下對組塊進行運輸強度校核具有很大不同。因此，在給定海況下，組塊在用駁船運輸過程中，船體變形的數(shù)據(jù)直接影響組塊結(jié)構(gòu)強度的校核結(jié)果。為此，采用基于頻域分析的設(shè)計波法，對南海某項目的組塊運輸進行三維全耦合數(shù)值模擬和計算分析。根據(jù)駁船運動誘導(dǎo)的慣性力，以及重力等求出組塊各構(gòu)件的應(yīng)力，按API規(guī)范進行校核組塊的結(jié)構(gòu)強度。

1 海況條件及總體結(jié)構(gòu)模型

1)海況條件采用中國南海某區(qū)域，10年一遇海況。有義波高：Hs=4.9 m；譜峰周期：Tp=12 s。

2)總體結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)圖紙信息，準(zhǔn)確建立組塊、DSF、滑道、SEAFASTENING和駁船結(jié)構(gòu)模型。由于要準(zhǔn)確地模擬出駁船和組塊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致有限元模型的單元數(shù)和節(jié)點數(shù)量十分龐大，而且為了準(zhǔn)確模擬組塊與駁船船體連接節(jié)點自由度，將整個系統(tǒng)分為兩個子模型——組塊(含DSF)和駁船，然后利用超單元組合技術(shù)，將它們組合成整體結(jié)構(gòu)模型[1-2]。見圖1～4。

圖1 組塊結(jié)構(gòu)模型

圖2 駁船結(jié)構(gòu)模型

圖3 整體結(jié)構(gòu)分析模型

圖4 Sea fastening整體模型分布

2 三維水動力計算與設(shè)計波選取

根據(jù)駁船的型線資料，建立三維水動力計算的濕表面模型。根據(jù)駁船的艙室布置圖進行三維模型的艙室劃分，并模擬艙室壓載水，進行水動力計算。

采用設(shè)計波法進行組塊運輸全耦合的強度分析，設(shè)計波參數(shù)由組塊重心處3個線方向最大加速度、3個角方向最大加速度以及駁船中橫剖面3個方向最大彎矩等9個主導(dǎo)載荷確定。計算船體在各主導(dǎo)載荷工況下，載荷響應(yīng)的短期極值，并結(jié)合各載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)確定設(shè)計波參數(shù)，包括浪向、周期、波幅和相位。

選取的設(shè)計波見表1。

表1 設(shè)計波選取結(jié)果

3 波浪載荷的計算與載荷傳遞

在得到設(shè)計波參數(shù)后，即可針對選定的設(shè)計波，采用三維線性頻域水動力理論，進行波浪載荷計算。在用設(shè)計波法對組塊運輸時駁船所受波浪載荷進行預(yù)報時，需要將駁船濕表面的水動壓力、液艙載荷以及慣性載荷施加到有限元模型上，確保模型的靜力和動力平衡，用于進行結(jié)構(gòu)有限元計算。

4 計算工況組合

駁船受到靜水載荷和波浪載荷的作用，由于SEAFASTENING 是在組塊裝船后才焊接上去的，因此SEAFASTENING 在靜水載荷工況下不起支撐固定作用，只在波浪載荷工況下起支撐作用。為此，需要分靜水工況和波浪工況兩種情況進行計算：在靜水載荷工況下分析時要將SEAFASTENINGS 與駁船連接處的節(jié)點單元解耦，這樣SEAFASTENINGS 便不起支撐作用；在波浪載荷工況下分析時，又需要將SEAFASTENING 與駁船連接節(jié)點耦合上，使它們起到支撐固定作用。最后用PREPOST模塊，將這兩個載荷工況的結(jié)果合并起來，得到最終結(jié)果文件[3]。另外，由于RUNNERS 與駁船甲板上的滑道之間只受壓力而不受拉力，這里可通過分析RUNNERS 的受力情況來實現(xiàn)。如果在分析工況下， RUNNERS 所受的力為壓力，那么就不用對它進行操作，如果RUNNERS 所受的力為拉力，那么就要將受拉力作用的RUNNERS 與駁船甲板上滑道的接觸節(jié)點解耦，使之受壓不受拉。

5 計算結(jié)果分析

5.1 組塊桿件強度校核結(jié)果

采用SESAM/FRAMEWORK模塊[4]，依據(jù)API RP 2A WSD對組塊(含DSF)桿件結(jié)構(gòu)進行強度校核，計算結(jié)果表明少數(shù)桿件在某些工況下，不滿足強度要求，其中，UC值最大達到2.3(由于篇幅有限，具體計算結(jié)果暫不列出)。不滿足強度要求的構(gòu)件，見圖5、6中深色構(gòu)件。

圖5 組塊中UC>1的桿件

圖6 DSF中UC>1的桿件

5.2 組塊管節(jié)點沖剪校核結(jié)果

采用SESAM/FRAMEWORK模塊，依據(jù)API RP 2A WSD，對組塊(含DSF)管節(jié)點進行沖剪強度校核，計算結(jié)果表明少數(shù)節(jié)點在某些工況下，不滿足強度要求，其中，UC值最大為1.23。不滿足強度要求的節(jié)點，見圖7中深色節(jié)點。

圖7 組塊中UC>1的管節(jié)點

6 結(jié)論

按照以往傳統(tǒng)方法，應(yīng)用SACS軟件，對組塊單獨進行結(jié)構(gòu)校核，沒有考慮駁船結(jié)構(gòu)的彈性影響，尤其對于重量超過3萬t的大型組塊，在組塊拖航運輸過程中，駁船的柔度對組塊的結(jié)構(gòu)強度會產(chǎn)生很大的影響，這和以往在不需要考慮船體變形因素的條件下，對組塊進行運輸強度校核具有很大不同。因此，需要用新的方法來進行運輸分析。

本文采用的全新的組塊與駁船全耦合的分析方法，對大型組塊進行拖航強度分析，與傳統(tǒng)的不考慮運輸駁船、單獨對組塊進行校核的方法相比，具有3點創(chuàng)新。

1)將組塊和駁船作為一個整體系統(tǒng)進行數(shù)值模擬和計算分析，計入了駁船結(jié)構(gòu)的彈性影響，更切合組塊運輸?shù)膶嶋H情況，使分析結(jié)果更真實可信；

2)采用三維勢流理論，精確地計算出了駁船所承受的波浪載荷，精確地模擬了組塊、滑道和駁船的邊界條件和結(jié)構(gòu)特性，使運輸分析的數(shù)值模擬更準(zhǔn)確；

3)組塊與駁船船體連接節(jié)點自由度的準(zhǔn)確模擬，更真實地反映了組塊與駁船之間的相互作用和接觸變形情況，使組塊拖航運輸?shù)倪\動分析和結(jié)構(gòu)計算，準(zhǔn)確度更高、結(jié)果更真實、可靠。

該方法已應(yīng)用于多個項目的組塊/導(dǎo)管架的拖航運輸分析，結(jié)果證明該方法是成功可行的，可應(yīng)用于其他類似項目中，具有一定推廣價值。

[1] DNV.Genie sesam user manual[S],Det norske veritas,2004.

[2] DNV.Presel sesam user manual[S],Det norske veritas,2004.

[3] DNV.Prepost sesam user manual[S],Det norske veritas,2004.

[4] DNV.Framework sesam user manual[S],Det norske veritas,2004.