自升式風(fēng)車安裝船主甲板強(qiáng)度評(píng)估

黃金林,劉仁昌,張利軍

(中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司， 遼寧 大連 116600)

摘要：簡(jiǎn)要介紹自升式風(fēng)車安裝船的功能和主甲板裝載狀況。參考風(fēng)車安裝船主甲板裝載布置，通過(guò)對(duì)比主甲板的局部載荷、板厚、骨材尺寸與跨距、大梁尺寸和跨度等因素，確定了4個(gè)能代表整個(gè)主甲板的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度分析。針對(duì)自航工況，應(yīng)用工作應(yīng)力法，并充分考慮了主甲板局部應(yīng)力與總體應(yīng)力的疊加，應(yīng)用SESAM軟件建立有限元模型對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估，根據(jù)工作應(yīng)力法的校核準(zhǔn)則判斷目標(biāo)區(qū)域強(qiáng)度是否符合要求，進(jìn)而完成對(duì)主甲板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核。

關(guān)鍵詞：風(fēng)車安裝船；主甲板；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；強(qiáng)度計(jì)算

0引言

自升式風(fēng)車安裝船是一種全新的海洋工程船舶，主要用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)輸、安裝和維護(hù)。它將常規(guī)船舶運(yùn)輸、自航與海洋平臺(tái)的自升、起重等多船功能集成到一艘船上，成為近幾年全球海工發(fā)展的重要方向。

自升式風(fēng)車安裝船為自升式船形結(jié)構(gòu)，采用了4條圓筒形樁腿、液壓頂升系統(tǒng)和900 t的主吊等，最大載重量達(dá)5 100 t，這給主甲板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。

本文針對(duì)自航工況，考慮了總縱彎曲應(yīng)力和局部應(yīng)力的疊加，對(duì)風(fēng)車安裝船的主甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算校核[1—2]。

1主參數(shù)和分析方法

1.1　風(fēng)車安裝船主參數(shù)

總長(zhǎng)

133.1 m

型寬

39.2 m

型深

9.8 m

設(shè)計(jì)吃水

5.6 m

最大載重量

5 100 t

1.2　主甲板裝載情況簡(jiǎn)介

該風(fēng)車安裝船最大載重量為5 100 t。根據(jù)風(fēng)車部件的重量和風(fēng)車船的總布置圖，經(jīng)過(guò)計(jì)算論證，得出了主甲板上的甲板貨物重量分布平面圖，作為甲板結(jié)構(gòu)分析的設(shè)計(jì)載荷，如圖1所示。

圖1　甲板貨物重量分布平面圖

圖1中的水平豎直交叉線表示該區(qū)域的主甲板可以承受150 kN/m2的重量載荷，交叉斜線表示該區(qū)域的主甲板可以承受100 kN/m2的重量載荷(船尾甲板)，豎直線表示該區(qū)域可承受50 kN/m2的重量載荷，水平線表示該區(qū)域可承受10 kN/m2的重量載荷(生活區(qū)及船首甲板)。

1.3　主甲板分析目標(biāo)區(qū)域選取

從主甲板上選取數(shù)個(gè)甲板目標(biāo)分析區(qū)域，這些目標(biāo)分析區(qū)域的選擇標(biāo)準(zhǔn)需滿足如下原則：假若所選取的甲板分段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足工作應(yīng)力法所規(guī)定的強(qiáng)度要求，則整個(gè)主甲板都滿足強(qiáng)度要求。因此，選取校核區(qū)域時(shí)應(yīng)充分考慮到局部載荷、板厚、骨材尺寸、骨材間距和跨距、大梁間距和跨距以及總縱彎曲應(yīng)力的影響。

根據(jù)該原則，對(duì)照?qǐng)D2，選擇了以下4個(gè)區(qū)域。

圖2　主甲板俯視圖

下面對(duì)主甲板結(jié)構(gòu)中板、筋、梁的強(qiáng)度分別進(jìn)行分析。

比較普遍的劃分方法如下：

局部結(jié)構(gòu)：如板、筋、梁和肘板；

主要結(jié)構(gòu)：如大梁和立柱；

整體結(jié)構(gòu)：如甲板的基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)。

由表1可知，當(dāng)對(duì)主甲板的扶強(qiáng)材進(jìn)行分析校核時(shí)，可變載荷取q(kN/m2)，在本專題中即為150 kN/m2；而對(duì)梁進(jìn)行分析校核時(shí)，可變載荷取fq(kN/m2)。

1.4　分析方法

本文采用工作應(yīng)力法對(duì)目標(biāo)甲板區(qū)域的強(qiáng)度進(jìn)行校核，通過(guò)比較結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同加載條件下計(jì)算的最大von-Mises應(yīng)力與材料的屈服極限與最大許用利用率系數(shù)的乘積，即：

σeqv<ηpfy

式中：σeqv為計(jì)算得到的von-Mises應(yīng)力；fy為材料的屈服極限；ηp為最大許用利用率系數(shù)。

該方法定義了5種加載條件見(jiàn)表2。由于本文針對(duì)自航工況，相應(yīng)選擇了自航狀態(tài)下最典型的2種加載條件(a)和(b)。

表2　加載條件

2載荷分析和設(shè)計(jì)工況劃分

2.1　載荷分析

在風(fēng)車安裝船的主甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核過(guò)程中，主要考慮的載荷有重量載荷(包括固定載荷和可變載荷)、液艙水壓力和慣性力載荷。其中重量載荷的取值通過(guò)圖1和表1來(lái)選取，液艙水壓力直接通過(guò)Genie軟件施加，慣性加速度的值則要通過(guò)水動(dòng)力計(jì)算求得，且要考慮到船舶航行過(guò)程中可能遇到各種浪向的環(huán)境載荷。

本文選取0°、45°和90° 3個(gè)典型浪向，具體數(shù)值見(jiàn)表3，且在每種浪向下應(yīng)同時(shí)考慮X、-X、Y、-Y、-Z5個(gè)方向的慣性加速度(加速度為Z方向時(shí)貨物對(duì)主甲板沒(méi)有慣性力作用)。

表3中，點(diǎn)1至點(diǎn)4的位置如圖3所示。圖3中的4個(gè)點(diǎn)處的加速度完全能夠涵蓋整個(gè)主甲板區(qū)域的加速度。

表3　各浪向下的加速度　　m/s2

圖3　加速度計(jì)算點(diǎn)位置

2.2　工況劃分

經(jīng)過(guò)以上分析，可將主甲板的分析工況詳細(xì)劃分,見(jiàn)表4。表4中的對(duì)勾表示該載荷在對(duì)應(yīng)工況下要考慮。

3結(jié)構(gòu)有限元模型

主甲板各個(gè)區(qū)域的有限元分析模型均采用4節(jié)點(diǎn)殼單元來(lái)模擬，每根梁、筋、肘板包括關(guān)鍵區(qū)域的面板削斜處理和肘板的軟趾均按實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。綜合考慮梁和筋的實(shí)際尺寸和有限元計(jì)算理論，做出以下規(guī)定：當(dāng)對(duì)大梁和立柱進(jìn)行分析時(shí)，網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm；而對(duì)扶強(qiáng)材進(jìn)行分析時(shí)，網(wǎng)格尺寸為50 mm×50 mm。全船模型和邊界條件如圖4所示。

表4　計(jì)算載荷工況

注：1. 對(duì)扶強(qiáng)材和桁材進(jìn)行校核時(shí)，重量載荷分別取p和fp，見(jiàn)表1。

2. 加載條件(b)下的慣性力載荷應(yīng)考慮0°、45°和90°的浪向情況。

圖4　全船模型和邊界條件

該局部模型是由總體模型中分離修改得到，只在遠(yuǎn)離目標(biāo)分析區(qū)域的位置約束結(jié)構(gòu)的平動(dòng)，盡量減少約束對(duì)目標(biāo)區(qū)域真實(shí)位移的影響。

4強(qiáng)度分析和評(píng)估結(jié)果

4.1　屈服強(qiáng)度

本文強(qiáng)度校核采用工作應(yīng)力法，其最大許用利用率系數(shù)ηp通過(guò)下面的公式得到：

ηp=βη0

式中：η0為基本許用利用率系數(shù)，見(jiàn)表5；β取決于結(jié)構(gòu)類型、失效模式和細(xì)長(zhǎng)比的系數(shù)，在屈服強(qiáng)度校核時(shí)β取1。

表5　基本許用利用率系數(shù)

注：平臺(tái)在無(wú)人作業(yè)的極端條件下，加載條件(b) 的利用系數(shù)可以取0.84。

該風(fēng)車船的主甲板結(jié)構(gòu)鋼材選用NV-36高強(qiáng)鋼，其屈服強(qiáng)度為355 MPa。

假若某局部區(qū)域(如肘板趾端)的峰值應(yīng)力超過(guò)了屈服極限，但其應(yīng)力能夠再分配到相鄰結(jié)構(gòu)，且該位置處的動(dòng)載荷不會(huì)引起疲勞破壞，當(dāng)該位置的峰值應(yīng)力低于表6的應(yīng)力上限值時(shí)，則該位置的強(qiáng)度可以認(rèn)為符合挪威船級(jí)社規(guī)范要求，即該局部區(qū)域的峰值應(yīng)力σpeak滿足以下公式：

σpeak≤ηpeakfy

式中：σpeak為應(yīng)力集中區(qū)域的最大許用應(yīng)力；ηpeak為峰值應(yīng)力利用系數(shù)，見(jiàn)表6。

表6　細(xì)化網(wǎng)格有限元模型許用峰值應(yīng)力利用系數(shù)

基于以上分析，得出最大許用應(yīng)力值，見(jiàn)表7。

表7　許用應(yīng)力值匯總

4.2　總縱彎曲的影響

由于自航工況下，可能發(fā)生中拱和中垂，且總縱彎曲主要由主甲板結(jié)構(gòu)來(lái)承受，故對(duì)船中區(qū)域的板和連續(xù)縱向構(gòu)件進(jìn)行校核時(shí)，總縱彎曲應(yīng)力不能忽略[5—6]。

用Nauticus Hull軟件對(duì)船中典型橫剖面進(jìn)行分析。當(dāng)該船總縱彎曲最大時(shí)，在船中區(qū)域主甲板處的von-mises應(yīng)力不超過(guò)113 MPa,因此校核船中區(qū)域縱向構(gòu)件和板材時(shí)，扣除總體應(yīng)力后的許用應(yīng)力為171 MPa。

4.3　計(jì)算結(jié)果

對(duì)自航工況下受靜態(tài)載荷以及同時(shí)受動(dòng)靜載荷的裝載條件下各區(qū)域的橫梁、扶強(qiáng)材、肘板進(jìn)行分析校核，將計(jì)算得到的最大von-mises應(yīng)力與最大許用應(yīng)力進(jìn)行比較，結(jié)果顯示主甲板各區(qū)域的結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)力大都小于最大許用應(yīng)力要求。只有少數(shù)肘板趾端由于應(yīng)力集中效應(yīng)，其峰值應(yīng)力大于許用應(yīng)力，但仍滿足峰值應(yīng)力的要求，因此可以認(rèn)為主甲板的各結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足工作應(yīng)力法的強(qiáng)度要求。

本文僅給出了部分區(qū)域在典型工況下的計(jì)算結(jié)果圖片。

圖5為機(jī)艙在靜態(tài)載荷作用下桁材的應(yīng)力分布；圖6為上述工況下峰值應(yīng)力處的細(xì)節(jié)圖；圖7為在0°浪向下，船中區(qū)域主甲板的板材和縱向構(gòu)件端部的應(yīng)力分布情況。

圖5　機(jī)艙上部主甲板梁的應(yīng)力分布

5結(jié)論

(1)主甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足自升式風(fēng)車安裝船在自航工況下的強(qiáng)度要求。

(2)桁材跨度大且側(cè)向載荷也較大時(shí)，可能導(dǎo)致筋被支撐的兩端出現(xiàn)相對(duì)變形，容易引起筋固定端出現(xiàn)較大的彎曲應(yīng)力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期需要重點(diǎn)關(guān)注跨距較大且剛度較小的桁材，避免出現(xiàn)相對(duì)變形。對(duì)于無(wú)法避免的大跨距艙室，如機(jī)艙，可通過(guò)在桁材跨距中間加支柱的方法減小桁材的彎曲變形。

(3)對(duì)于兩端固支梁彎曲與相對(duì)變形彎曲同時(shí)存在的筋，需要針對(duì)2種彎曲的疊加對(duì)筋展開(kāi)強(qiáng)度校核，構(gòu)件尺寸確定則需要確定2種彎曲對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度要求所占的比例。

(4)校核船型結(jié)構(gòu)的主甲板強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)充分考慮總縱彎曲對(duì)主甲板的影響，即要考慮總體應(yīng)力與局部應(yīng)力的疊加。

圖6　局部放大圖

圖7　船中區(qū)域板和縱向構(gòu)件應(yīng)力圖

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中圖分類號(hào)：U661.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：黃金林(1988—),男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)榇敖Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與振動(dòng)噪聲。

收稿日期：2015-03-04

基金項(xiàng)目：工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝2011536號(hào))