李成君,周佳
(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 海工部,上海 200011)
由于面向深海的采礦船缺少實(shí)船數(shù)據(jù)及規(guī)范文件,需要針對(duì)采礦船進(jìn)行總強(qiáng)度校核,確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行性。采礦船外形為船型,船中具有月池,同時(shí)采礦船在月池區(qū)域集中布置塔架及鉆采設(shè)備共1 600 t,使得無(wú)論是重載出港還是輕載到港,全船始終處于中垂?fàn)顟B(tài),因此采礦船的設(shè)計(jì)波的控制載荷與常規(guī)船型有較大不同。為此,以深海采礦試驗(yàn)船為對(duì)象進(jìn)行波浪載荷簡(jiǎn)化預(yù)報(bào)分析,計(jì)算波浪載荷,結(jié)合采礦船的特點(diǎn)進(jìn)行總強(qiáng)度分析,確認(rèn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵位置。
對(duì)波浪載荷預(yù)報(bào)的簡(jiǎn)化主要工作在于月池結(jié)構(gòu)模型及全船重量重心調(diào)整2項(xiàng)工作。為了準(zhǔn)確把握全船重量重心及月池結(jié)構(gòu)對(duì)波浪載荷響應(yīng)幅值的影響,對(duì)波浪載荷結(jié)果的差異進(jìn)行分析。
由于船中有月池開(kāi)口,角隅處易產(chǎn)生應(yīng)力集中。在預(yù)報(bào)波浪載荷時(shí),選取垂向剪力、彎矩以及船中轉(zhuǎn)矩作為典型設(shè)計(jì)工況。
月池區(qū)域的控制載荷為垂向彎矩。在月池開(kāi)孔范圍內(nèi),垂向剪力和垂向彎矩隨著月池尺寸的增加而有所減小,但變化較小。對(duì)于具有甲板大開(kāi)口的船舶,其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)對(duì)變形的影響不容忽視。為了確定月池在波浪載荷預(yù)報(bào)中是否可以直接簡(jiǎn)化,建立水動(dòng)力模型,見(jiàn)圖1。
圖1 不同模型濕表面網(wǎng)格
從定性角度分析,由于波浪載荷預(yù)報(bào)采用切片法,而月池結(jié)構(gòu)改變了波浪誘導(dǎo)載荷的積分面積,特別是位于典型位置船中區(qū)域切片積分面積會(huì)降低,造成波浪誘導(dǎo)載荷差異,結(jié)果見(jiàn)圖2。
圖2 月池結(jié)構(gòu)對(duì)波浪載荷響應(yīng)幅值影響結(jié)果對(duì)比
從圖2可知,月池結(jié)構(gòu)對(duì)垂向載荷影響較小,對(duì)轉(zhuǎn)矩影響較大。月池區(qū)域由于距離最大垂向剪力位置較遠(yuǎn),因此影響較小,分析船體梁載荷式(1)~(3)發(fā)現(xiàn),垂向彎矩為沿船長(zhǎng)方向的切片的垂向剪力的積分,因此最大垂向彎矩影響也不大,但是轉(zhuǎn)矩僅依靠橫剖面載荷進(jìn)行積分,因此最大轉(zhuǎn)矩受到月池結(jié)構(gòu)的影響較大。
1)垂向剪力。
(1)
2)垂向彎矩。
(2)
3)轉(zhuǎn)矩。
(3)
式中:為計(jì)算位置;為切片;,分別為剛體慣性力及力矩。
船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)要求用于水動(dòng)力分析的模型與真實(shí)船體的重量重心誤差不得超過(guò)1%。由于重心的垂向坐標(biāo)較難控制,因此簡(jiǎn)化調(diào)整重心垂向位置進(jìn)行波浪載荷預(yù)報(bào),意義重大。通過(guò)調(diào)整有限元模型材料密度的方式,選取重量重心變化范圍較顯著的3個(gè)模型進(jìn)行比較。見(jiàn)表1。
表1 不同質(zhì)量模型重量與重心
提取靠近峰值的頻率的預(yù)報(bào)結(jié)果,得到的幅值響應(yīng)見(jiàn)圖3,對(duì)比見(jiàn)圖4。
圖3 重量重心對(duì)波浪載荷響應(yīng)幅值影響對(duì)比
圖4 重量重心對(duì)最大垂向彎矩及剪力的影響對(duì)比
由圖3可見(jiàn),最大垂向彎矩及剪力受到模型重量重心的微弱影響,不過(guò)隨頻率變化趨勢(shì)一致,同時(shí),最大響應(yīng)幅值對(duì)應(yīng)的頻率不受模型重量重心誤差的影響;而響應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩幅值則受到重量重心影響較大,另外最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的波浪頻率也不一樣。
由圖4可見(jiàn),當(dāng)模型重量偏大,或重心的垂向位置偏低,則對(duì)應(yīng)的垂向彎矩及剪力的幅值偏大;當(dāng)模型重量偏大,或者重心偏高,最大轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)幅值偏大,最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的波浪頻率偏低。
在兼顧效率及精度的條件下,當(dāng)僅預(yù)報(bào)垂向載荷作為控制載荷的設(shè)計(jì)波預(yù)報(bào)時(shí),忽略月池結(jié)構(gòu)直接建立完整的濕表面模型計(jì)算,且適當(dāng)放寬模型的重量重心準(zhǔn)確度。當(dāng)船體總強(qiáng)度處于臨界狀態(tài),或者需考慮最大轉(zhuǎn)矩作為控制載荷的設(shè)計(jì)波預(yù)報(bào),則模型的月池結(jié)構(gòu)及全船重量重心均應(yīng)當(dāng)按照規(guī)范要求進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。
采礦試驗(yàn)?zāi)复脑O(shè)計(jì)工況包括轉(zhuǎn)矩,因此采用準(zhǔn)確的濕表面及重量重心的水動(dòng)力模型進(jìn)行波浪載荷預(yù)報(bào)。
以SESAM軟件計(jì)算包為例,一般進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的流程見(jiàn)圖5、6。
圖5 結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度及局部強(qiáng)度分析流程
圖6 結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析流程
全船結(jié)構(gòu)有限元模型及質(zhì)量模型共用一個(gè)模型,見(jiàn)圖7。針對(duì)有限元模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,由于最大剪力一般位于1/4~3/4船長(zhǎng)位置,因此在1/5~4/5船長(zhǎng)范圍內(nèi)按照肋距以及縱骨間距的常規(guī)網(wǎng)格進(jìn)行建模,對(duì)于該范圍之外的模型采用強(qiáng)框間距作為單元尺寸進(jìn)行建模。
圖7 全船有限元模型&質(zhì)量模型
計(jì)算工況選取6級(jí)海況,選取所有工況的包絡(luò)載荷進(jìn)行計(jì)算,將裝載工況簡(jiǎn)化為航行出港,航行到港,得到的設(shè)計(jì)波參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 不同質(zhì)量模型重量與重心
根據(jù)表2中的設(shè)計(jì)波進(jìn)行總強(qiáng)度計(jì)算,選擇典型部位的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3,應(yīng)力見(jiàn)圖8。
表3 全船總強(qiáng)度典型部位應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa
圖8 典型部位應(yīng)力云圖
從圖8及表3可以看出,最大應(yīng)力發(fā)生在縱艙壁位置,其次是主甲板,最后是外殼,因此可以判定應(yīng)力傳遞路徑為從塔架到縱艙壁,到甲板再到外板,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)應(yīng)力傳遞路徑簡(jiǎn)化月池區(qū)域的結(jié)構(gòu)加強(qiáng),由于應(yīng)力在傳遞過(guò)程中存在結(jié)構(gòu)剛度的抵抗,應(yīng)力水平將會(huì)逐級(jí)衰減,根據(jù)應(yīng)力傳遞路徑逐漸降低結(jié)構(gòu)剛度,可避免整體加強(qiáng)造成的結(jié)構(gòu)冗余,還能避免加強(qiáng)區(qū)域偏差導(dǎo)致的應(yīng)力集中。
由于總強(qiáng)度采用梁?jiǎn)卧M塔架,而應(yīng)力無(wú)法從梁?jiǎn)卧獋鬟f到板單元,因此塔架局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算并不準(zhǔn)確。采用子模型法對(duì)塔架底座及月池角隅的局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。根據(jù)總強(qiáng)度分析的粗網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果,截取對(duì)應(yīng)區(qū)域的模型細(xì)化,見(jiàn)圖9。
圖9 子模型網(wǎng)格劃分
選取與船體變形方向一致的局部載荷作為典型載荷計(jì)算疲勞壽命。
疲勞環(huán)境選取全球海況,波浪譜選為PM譜,計(jì)算流程同前。
該船用于校核疲勞的節(jié)點(diǎn)主要是塔架底座,主甲板及船底月池開(kāi)口角隅。直接從局部強(qiáng)度模型中提取模型并繼承局部模型的邊界條件,疲勞校核模型及邊界條件見(jiàn)圖10,塔架底座模型單元總數(shù)14 672,月池區(qū)域開(kāi)口角隅模型單元總數(shù)14 335。
圖10 疲勞校核模型
一般疲勞分析需要根據(jù)不同裝載工況及作業(yè)場(chǎng)景進(jìn)行概率分布計(jì)算。在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中,可根據(jù)情況進(jìn)行簡(jiǎn)化,提取危險(xiǎn)場(chǎng)景進(jìn)行估算。限于篇幅,選取某熱點(diǎn)位置以及插值方式進(jìn)行疲勞校核,熱點(diǎn)位置見(jiàn)圖11、12。
圖11 疲勞校核熱點(diǎn)位置
圖12 疲勞校核插值方式
采用譜分析方法進(jìn)行全概率疲勞壽命計(jì)算,需要選擇正確的-曲線,塔架底座由于是焊接結(jié)構(gòu),其疲勞性能較差,選取曲線,月池開(kāi)口區(qū)域選取曲線。對(duì)熱點(diǎn)疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算,選取典型插值結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 熱點(diǎn)疲勞計(jì)算結(jié)果
可以看出最短的疲勞壽命為1.2年,位于主甲板月池開(kāi)口角隅位置??紤]到本船功能定位于海上采礦試驗(yàn),并非正式服役,因此目前的疲勞結(jié)果可以滿足試驗(yàn)要求,不過(guò)本船若作為采礦作業(yè)條件時(shí),該處是一個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn),在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)進(jìn)行加強(qiáng)。
該船簡(jiǎn)化工作主要包括在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)載荷的過(guò)程中考慮船體變形與局部載荷疊加的影響;計(jì)算模型選擇子模型方法進(jìn)行強(qiáng)度分析;將關(guān)注區(qū)域的網(wǎng)格按照受力特征進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,然后將全船模型的邊界條件傳遞到子模型中;另外,根據(jù)應(yīng)力傳遞路徑,簡(jiǎn)化局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。
針對(duì)采礦試驗(yàn)船得出簡(jiǎn)化模型的可行性方法:當(dāng)主控載荷為垂向載荷以及總強(qiáng)度非臨界狀態(tài)的前提下,模型可簡(jiǎn)化處理,當(dāng)需要考慮橫向載荷作用時(shí)則不可簡(jiǎn)化處理。
采用子模型法對(duì)月池區(qū)域結(jié)構(gòu)屈服及疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析,給出了基于子模型分析的流程以及方法,確定強(qiáng)度分析中的應(yīng)力傳遞路徑,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度評(píng)估提供技術(shù)支持,并為后續(xù)的局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)提供參考。
但是,分析的完整性存在不足,主要在于模型簡(jiǎn)化方面,只定性給出月池結(jié)構(gòu)及全船重量重心對(duì)波浪載荷幅值影響,沒(méi)有針對(duì)不同船型的結(jié)果的影響進(jìn)行對(duì)比,并獲取估算公式,為模型簡(jiǎn)化工作提供數(shù)據(jù)支持。后續(xù)應(yīng)考慮選取不同的成熟船型進(jìn)行對(duì)比分析,計(jì)算出月池結(jié)構(gòu)或者重量重心對(duì)不同載荷的影響因子,得到適應(yīng)性較好的載荷估算公式,然后采用新船型進(jìn)行驗(yàn)證,從而更準(zhǔn)確地把握處理簡(jiǎn)化模型的波浪載荷的預(yù)報(bào)方法。