128 m打樁船樁架結構強度及模態分析

汪 宏 王文 周禮軍

（江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院 鎮江 212000）

128 m打樁船樁架結構強度及模態分析

（江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院 鎮江 212000）

以128 m打樁船樁架為分析對象，利用ANSYS有限元軟件建立樁架結構三維模型，模擬其在有風起吊、放置拖航這兩種工況下的各構件應力及結構響應狀態，校核樁架整體結構強度和穩定性,同時對樁架結構進行模態分析。模擬結果表明，樁架在這兩種工況下的材料強度滿足安全要求，并就所得數據對樁架的運行安全提出建議。

打樁船；樁架；ANSYS軟件；強度校核；模態分析

引 言

科學技術的發展、海洋資源的開發，海上工程從港內施工作業發展為外海乃至遠洋作業，帶動了海上工程技術的進步。隨著海上大型結構逐步向深海發展，對樁基的長度、質量、強度等方面的要求也逐步提高。樁架是專門為海上樁基施工作業建造的起重與導向設備，樁基的要求提高，帶動了樁架的優化和發展。

從最初的樁架設計建造［1］、安裝工藝［2］，到現時的強度計算［3］、優化改造［4］和穩定性校核的有限元化［5］，國內對于打樁船樁架的相關研究取得了一些實際成果。本文通過利用有限元ANSYS軟件［6］，就目前國內最先進和最龐大的128 m打樁船樁架進行研究，對樁架進行強度及結構響應分析。

1 樁架分析工況選取及理論分析

樁架主要由大平臺、主弦桿、前后弦桿、側水平桿及斜桿、龍口、液壓油缸、前后支座等構件組成，是空間型桁架-箱體結構。樁架的主要功能可歸納為以下幾類：吊樁、打樁、樁基導向。根據功能分類，可獲得打樁船出海后樁架出現的工況：非工作狀態時，樁架放置拖航；吊樁工況下，分為單鉤吊樁和雙鉤吊樁；打樁工況；引導樁基方向時的樁架變幅工況。若再細分，還能在每種工況下分成不同的樁架傾角。

通過各項資料的整理和綜合，本文決定針對樁架典型的兩種工況進行分析。這兩種工況分別是放置拖航以及風浪作用下的吊樁。樁架結構如圖1所示。

其中，對放置拖航狀態進行分析主要考慮到樁架在放置狀態即工作未開始或者工作已結束，此時打樁船在海上航行，船舶在航行過程中除了受到波浪作用，考慮到強風因素，風壓會作用在船身以及樁架上，樁架受風荷載作用的情況不可忽視，不僅會對船舶吃水產生影響，也會對船舶穩性產生影響，因此該工況必須考慮。

圖1 樁架結構

而在吊樁作業時，不可能時刻保證無風，因此將整個作業過程設定在有風狀態下進行，而且樁架結構承受的載荷也會隨風向改變而改變。顯而易見，有風吊樁比無風吊樁作業環境更為復雜，考慮有風吊樁，則可以忽略無風吊樁［7］。工況相應參數則按照極限作業要求選取。具體數值見表1。

表1 打樁船工作工況

1.1 工況1

在工況1時，樁架承受自重G1=800 t、樁基重 G2=500 t、起升機構重G3=100 t（固定部分G31=50 t，運動部分重G32=50 t）。根據《船舶與海上設施起重設備規范》（以下簡稱《船起規范》）中，江蘇省船舶設計研究所提供的起升速度資料V=3.4 m/min=0.057 m/s及起升系數公式可得：

式中：φh為起升系數；C為決定于起重機剛度的系數，臂架式取0.3；V為起升速度，m/min。作業系數取λ=1.05。風荷載表達式為：

式中：v為當地對應風速，m/s；q為風壓計算值，Pa；c為風力系數；A為構件投影面，m2。

由于安全工作負荷SWL=500×9.8=4 900 kN＞490 kN，因此作用于起升荷載上的風力：

按照規范［8］v = 20 m/s，各構件風載荷Fw= cqA = 0.613 cAv2。

風載荷數值如表2所示。

表2 工況1 各主要構件所受風載荷計算結果匯總

對于工況1，結構所受總載荷

將該總載荷施加到樁架有限元模型上進行計算。其中，Gih為船體傾斜時產生的水平分力，（i=1、2、31、32）。風荷載作用方向取最危險工況方向，即往樁架傾斜方向運動，不考慮背風面構件的受風情況。

1.2 工況2

在工況2時，G1=800、G2=500、G3=100 ；Fw的計算同工況1，取v=55 m/s，可得到如表3所示的計算結果。

表3 工況2 各主要構件所受風載荷計算結果匯總

對于工況2，結構所受總載荷G1+G2+G3+G4+Fw。G4是樁架放置狀態下桿所受慣性荷載，考慮其垂直于甲板的慣性力考慮和重力荷載分力方向相同時最為不利；平行于甲板的慣性力考慮和重力荷載分力方向相同，并考慮X、Z方向即船舶橫傾和縱傾兩種情況。根據規范，取垂直于甲板加速度為 1.0g的慣性載荷，平行于甲板橫向加速度為 0.5g的慣性載荷。

2 樁架有限元模型及強度計算結果

結合圖1，樁架有限元模型的整體結構見下頁圖2。根據樁架兩種工況的參數，對樁架進行強度有限元分析，并在有限元中設定坐標，X軸與甲板平面平行，指向左舷為正方向；Y軸與甲板平面垂直，指向上為正方向；Z軸與甲板平面平行，指向船首為正方向。樁架前后支腿均固定在船體上，因此對其施加線位移全約束。其中，起升機構固定部分質量等效到頂架平臺上，而運動部分質量則附加至樁柱上。

圖2 樁架有限元模型

2.1 工況1（有風起吊）

在有風起吊工況下，由于風向作用可能來自各個方向，因此必須考慮風載荷方向，此時的風載荷作用根據表2進行加載。在起吊過程中，存在兩種不同的起吊方式，即單鉤起吊和雙鉤起吊，因此在考慮風向的同時還要對起吊方式加以區分。根據資料，風向分別為沿X方向（船橫向）和Z方向（船縱向），有風起吊工況如圖3所示。

有風起吊工況下，考慮X風向，最大受力點出現在前弦桿及大平臺處，樁架各部分的最大應力見表4。風荷載風向的改變，導致了樁架構件受力的改變，其中應力變化較大的構件是后弦桿、側斜撐桿，在Z方向風荷載作用下，這兩個構件可看做是正面承受風荷載的作用，并且在雙鉤起吊情況下，風向的改變對樁架構件應力也產生一定影響。在風荷載的作用下進行起吊作業的樁架結構強度滿足要求。

圖3 工況1 樁架結構應力最大

2.2 工況2（放置拖航）

在放置拖航工況下，樁架放倒在船上，此時風載荷作用的橫截面積改變，且無起升載荷，起升機構作靜力處理。自重載荷通過施加加速度的方法作用于結構模型上。經過計算，所得計算結果如圖4所示。

圖4 工況2 船舶橫傾和縱傾樁架結構最大應力

表4 工況1 樁架結構最大應力值MPa

樁架應力分析結果見表5和表6。對比可知，在風向相同時，船舶橫縱傾對桿系構件影響較大，而箱型結構所受應力變化不大，三個支座處的左支腳受力最大，而樁架后弦桿構件是整體結構應力值最大的構件。根據計算，樁架整體所受應力均滿足許用應力，支座處節點反力在許用范圍之內。其中，材料屈服應力為=550 MPa，安全系數取n=1.5，支座處截面面積A=0.087 m2。

表5 工況2 樁架各構件最大應力值MPa

表6 工況2 樁架三支點反力MN

3 樁架整體結構屈曲分析

針對工況1，達到屈曲極限的樁架結構和屈曲前的結構對比如圖5所示。

圖5 屈曲時結構的狀態

實體部分為屈曲后的結構，虛線圈部分為屈曲前的結構。應用ANSYS對樁架結構進行屈曲分析，施加單位起吊載荷，即樁架結構主要受力方向作用值為1的Y負方向載荷（考慮樁架傾角），求解特征值屈曲解，得到10階以內的屈曲系數（見表7），周期/頻率即為所求屈曲系數，具體結果如下。

表7 工況1 樁架整體屈曲系數

樁架結構在單位荷載作用下，所求的特征值為1階屈曲系數，而屈曲極限載荷則為特征值與單位載荷的乘積，即0.107 84×108×1 N=10.784×106N，而起吊載荷G2+G32=（500+50）×9.8=5.39×106N。此時，5.39×106N＜10.784×106N，結構在工況最大載荷情況下并未達到屈曲極限，樁架結構穩定。

4 樁架有限元模型及模態分析

模態分析是對樁架自振特性的一種解釋，分析本身不需要任何外載荷。在頻率0～100 Hz范圍內計算樁架的固有振動頻率，共計算結構100階振型結果，取前6階模態進行對比，結果如圖6所示。

根據有限元計算結果，1階模態振型為沿X方向即沿船橫向搖擺；2階模態振型為沿Z方向即沿船縱向擺動；3階模態振型則為由Z方向向X方向進行扭轉變形；4階模態振型同一階模態一樣沿著船橫向搖擺運動，同時作彎曲和扭轉；5階模態振型沿船縱向搖擺，而且其搖擺幅度遠大于2階模態；6階模態振型為扭轉振型，其扭轉幅度遠大于3階模態。根據計算所得結果，第100階模態對應頻率為24.4 Hz，并且100階模態頻率均在0～25 Hz范圍內。

樁架放置狀態下的響應可以忽略不計，而作業狀態下的響應分析不可忽略。在有風起吊工況下對樁架整體進行單鉤和雙鉤吊重響應分析，分析頻率在0～100 Hz范圍內。對樁架整體結構響應計算結果選取外載荷承受點，得到如下頁圖7所示結果。

由圖7中的結果可以看出，單鉤和雙鉤吊重狀態下結構受力點的響應幅值隨頻率增大而逐漸減小。該點的最大響應峰值在0～20 Hz之間，1階模態頻率為0.542 96 Hz（見下頁表8），而其對應的響應賦值約為0.031 2 m。單鉤吊重情況該點最大峰值為0.165 m，雙鉤吊重情況該點最大峰值為0.107 m，其對應頻率均在15 Hz左右，出現在低頻區域內，而此時1階模態頻率對應的響應幅值0.031 2 m＜0.107 m，因而1階模態頻率對應振動效果不明顯。

圖6 工況1 樁架不同階位模態振型

圖7 工況1樁架某受力點響應分析

表8 工況1 各階頻率Hz

5 結 論

本文運用ANSYS軟件對各工況下128 m打樁船樁架進行模擬，得到以下結論：

（1）對于工況1和工況2，弦桿部分為結果主要受力構件，最大受力部位在后弦桿中部，其所受應力遠大于其他構件，仍滿足結構強度要求，施工時應注意不要超負荷作業；

（2）對于工況1，在樁架滿載情況下雙鉤起吊和單鉤起吊兩者計算結果相差不大，結構穩定性也滿足要求，3個支座反力均在安全范圍之內；

（3）工況1，結構前100階模態振動頻率集中在0～25 Hz范圍內，結構的響應最大峰值約為15 Hz。通過對比，結構1階模態振動幅值小于結構響應最大峰值。

［1］ 汪宏，曾憲邦，李志明.樁架改造設計方案的有限元分析［J］.江蘇科技大學學報（自然科學版），2007，21（4）：29-32.

［2］ 王明祥，李家林.打樁船樁架制作及安裝新工藝［J］.船舶工程，2010，32（3）：50-53，71.

［3］ 吳曉源，王一飛，李輝.打樁船樁架結構強度有限元分析［J］.計算機輔助工程，2006，15： 87-88.

［4］ 王一軍，鄭美金，周斌.打樁船樁架加高改造探索［J］.江蘇船舶，2005，22（2）：5-7.

［5］ 唐軍，唐淼.93米打樁船樁架的起立工況分析［J］.船舶設計通訊，2003（3-4）： 56-66.

［6］ 李衛民，楊紅義，王宏祥. ANSYS工程結構實用案例分析［M］.北京：化學工業出版社，2007.

［7］ 王立軍，韋家礎，林平根，等.打樁船樁架及支撐結構的強度研究［J］.船舶工程，2008，30（3）：27-29，9.

［8］ 中國船級社.船舶與海上設施起重設備規范［M］.北京：人民交通出版社. 2007.

Structural strength and modal analysis of pile frame of 128 m pile driving vessel

WANG Hong WANG Jing-wen ZHOU Li-jun
(College of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu Sience and Technology University, Zhenjiang 212000, China)

The pile frame on 128m pile driving vessel is analyzed with a 3D pile holder model by ANSYS. It carries out the simulation of component stress and structural response under the two working conditions, lifting cargo with wind and laying towage, and check of the overall strength and stability of pile frame, as well as the modal analysis of pile frame structure. The simulation results show that the material strength of pile frame under the above two working conditions can meet safety requirements, which provide suggestion for the operation of pile frame based on the obtained results.

pile driving vessel; pile frame; ANSYS; strength check; modal analysis

U661.43

A

1001-9855（2014）03-0035-07

江蘇科技大學重點實驗室資助項目（2007CH032F）。

2013-09-24 ；

2013-10-30

汪 宏（1960-），男，教授，研究方向：打樁船的樁架結構承載力有限元技術。

王璟文（1989-），男，碩士，研究方向：船舶與海洋工程。

周禮軍（1978-），男，講師，研究方向：港口航道與海岸工程。