關于大型結構物拖拉裝船的優化分析

孫玉柱　姜廣都（海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津　300461）

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關于大型結構物拖拉裝船的優化分析

孫玉柱姜廣都
（海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津300461）

摘要：應用SACS軟件構建結構物的有限元模型，根據API［1］規范對結構物進行靜態分析，得出組塊滑移裝船時各樁腿的支反力，采用ANSYS軟件對兩種滑移裝船方式進行校核，通過計算對比，選出適合的裝船方式，并針對實際項目中較大型結構物的滑移裝船駁船強度問題，提出了合理的建議，為降低結構物裝船時應力提供依據。

關鍵詞：船體強度，拖拉方式，應力，結構物

0　引言

SACS軟件是美國Bentley公司的產品，是基于有限元技術的仿真平臺，是為海洋平臺和土木工程提供結構分析的一套軟件，尤其在海洋動力分析方面有自己獨到的優勢。現在，SACS包括了廣泛的有關海洋平臺結構設計和分析模塊，功能強大。本文中主要運用該軟件來模擬校核結構物的自身強度以及計算組塊各主腿支反力。

ANSYS軟件是大型通用商業化的工程分析軟件，能夠模擬研究物受到外力荷載所產生的響應，如應力、位移、溫度等。根據這些響應可以知道研究物受到外力荷載后的狀態，進而判定是否符合安全設計要求。

本文主要根據SACS軟件計算得出的組塊各主腿支反力，運用ANSYS軟件來模擬駁船的受力形式，根據船體的約束條件等因素來計算船體的局部應力，校核船體強度，通過分析計算來改進工作方法。

1　船體強度的概述及規范要求

1.1船體強度概述

船體強度，按船體結構的受力狀況，分為總縱強度、局部強度、橫向強度等。總縱強度對應的外力是總縱彎曲力，橫向強度對應的外力是橫向力，局部強度對應的外力是局部力。在研究船體強度時是把一艘船舶看作一個空心的箱形梁來進行研究的。本文的分析主要是根據組塊的主腿支反力作用下的船體局部強度校核。應用ANSYS軟件來計算船體局部強度時采用1/2 +1 + 1/2的三維艙段有限元模型計算分析船體的應力分布（如圖1所示）。

本文的駁船局部強度校核主要分為以下幾個步驟：創建模型、模型網格劃分、施加載荷、約束條件的施加、后處理等。

1.2計算中運用的規范資料

ANSYS的前處理模塊主要有兩部分：創建模型和網格劃分。

進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構造模型，即：用戶首先定義關鍵點，然后依次是相關的線、面、體。對于有限元分析來說，網格劃分是其中最關鍵的一個步驟，網格劃分的好壞直接影響到解算的精度和速度。模型建立以及網格劃分可以參見《雙舷側散貨船結構強度直接計算指南》（2004）［2］。

在后處理階段的結構強度分析可以參照中國船級社的鋼制海船入級規范［3，4］。

針對船體所受的荷載形式，一般采用以下的約束條件：

端面約束：一端獨立點約束δx，δy，δz，θx，θz，另一端獨立點約束δy，δz，θx，θz（見圖2）。

圖1　三維有限元模型

圖2　端面約束

如果船體所受的荷載為左右對稱的形式，并且船體結構也是左右對稱，則δy=θx=θz=0。

2　計算實例

下面采用海洋石油225船拖拉裝船Zawtika WP5組塊的例子來校核結構物拖拉裝船時的局部強度，我們分兩種拖拉形式：尾拖和側拖，拖拉方向見圖3。

圖3　拖拉方向圖

尾拖，顧名思義，就是把組塊從船體的尾部縱向拖拉上船的一種拖拉方式；側拖則是從船體一側橫向拖拉上船的拖拉裝船方式。這兩種方式分別進行計算的結果見表1。

表1　計算結果表

為了能滿足船舶強度需要，我們將主腿支反力較大的節點放置到船體強結構上，船體局部強度校核結果如表2，表3，圖4～圖9所示。

表2　組塊尾拖駁船局部應力

表3　組塊側拖駁船局部應力

圖4　船舶尾部模型圖（船尾結構左右對稱）

圖5　節點0032下的船體應力分布（右舷）

圖6　節點0033下的船體應力分布（左舷）

圖7　船舶中部模型圖（船中結構左右對稱）

圖8　節點0032下的船體應力分布

圖9　節點0033下的船體應力分布

由于組塊跨距的局限性，組塊的各主腿支點不能同時作用到船體強結構件之上，為了盡量滿足船體的強度需要，我們把較大的支反力放置到強結構之上。但是通過計算可以得出，組塊通過尾拖的方式滑移上船，船體尾部的結構不能滿足強度需要；通過側拖方式的滑移裝船，結構強度可以滿足要求。

通過對比，可以得出如下結論：

較大結構物在拖拉裝船時，當船體尾部的結構較弱（如大多數的自行型駁船），可以考慮側拖這種滑移裝船方式，因為船體中部的結構相對較強，可選的滑移路徑較多。本項目最終所使用的就是側向滑移裝船法。

3　結論及建議

當船舶裝船時，船體強度不能達到要求，但是由于項目工期以及船舶成本等方面的考慮，不能更換船舶，一般采取以下幾種解決方案：

1）如本文所述，考慮通過不同的裝船方式來校核船體強度，選擇一種經濟實用的方式來滿足項目需求；

2）駁船船體加強，針對局部強度不滿足要求的問題，可以在船體局部進行結構加強；

3）如果滿足潮汐等裝船條件，可以通過鋪設滑道來達到降低船體局部應力的目的。

綜上為本文所做的研究論證，具體施工過程中，我們應該從各個方面來優化我們的設計工作。如我們應該盡可能的將結構物的主腿承重點放置到船體的強結構上。由于結構物的跨距等原因，結構物的承重腿大部分不能同時放置到強結構上時，應該優先考慮將較大的承重腿放置其上，這樣也可以部分降低船體局部的應力，來達到滿足施工的需求。

參考文獻：

［1］API Recommended Practice 2A-WSD（RP 2A-WSD）.twentyfirst edition.December 2000.

［2］雙舷側散貨船結構強度直接計算指南［Z］.

［3］雙殼油船共同結構規范［S］.

［4］散貨船共同結構規范［S］.

Optimization analysis of large module loadout onto barge

Sun Yuzhu Jiang Guangdu
（Installation Company，Offshore Oil Engineering Co.，Ltd，Tianjin 300461，China）

Abstract：SACS software was applied to build the finite element model of the structure，static analysis of structures in accordance with the API［1］specification，calculating the reaction force of each leg when the module is loadout process.By two loadout form：checked respectively by ANSYS software，using the calculation were compared and choose suitable form.In the actual project，the paper puts forward reasonable suggestions on the strength when the large structure loadouts on ship，in order to provide the basis for reducing the stress of the structure.

Key words：hull strength，drag-and-drop，stress，structure

中圖分類號：U661.4

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0049-02

收稿日期：2015-12-17

作者簡介：孫玉柱（1979-），男，工程師；姜廣都（1981-），男，工程師