83．8 m平臺支持船總縱強度分析及結構優化研究

劉 磊，王甫超

(1．江蘇省鎮江船廠(集團)有限公司，江蘇鎮江212002;2．江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江212003)

0 引言

平臺支持船作為重要的海洋工程裝備，為石油平臺提供物質支持和作業服務，是海洋資源勘探開發的基礎和支撐性設備。隨著平臺支持船向功能綜合化、船型多樣化和船體大型化方向發展，國際海事組織和各大船級社對平臺支持船的穩性和耐波性、操縱性以及安全性提出了更高的要求。

本文以83．8 m平臺支持船為研究目標，在全船有限元結構分析的基礎上對船舶提出結構優化方案，并修改有限元模型，進而再次評估船舶總縱強度［2］，最終滿足美國船級社(ABS)規范的要求。

1 實船有限元模型

平臺支持船主要尺度為:總長83．800 m，垂線間長 76．013 m，型寬18．000 m，型深 8．400 m，設計吃水 6．800 m，肋距 0．700 m/0．600 m。

本船船底板厚度10 mm;舷側外板厚度首部10 mm，尾部8 mm;中部區域舷頂列板為20 mm，其余為12 mm;橫艙壁8 mm;縱艙壁上方10 mm，下方8 mm。平臺支持船以及橫向剖面的有限元模型分別如圖1、圖2所示。

圖1平臺支持船有限元模型

圖2 橫向剖面有限元模型

2 總縱強度校核

2．1 邊界條件

本文研究船舶結構的應力分布情況，邊界條件采用慣性釋放的方法，即在船舶結構上施加一個虛擬的約束反力以此來確保結構的合力平衡。對于這種虛擬支座，軟件第一步計算每個節點在每個方向上的加速度，第二步將加速度轉化為慣性力反向施加到相應的節點上，由此構成一個平衡力系，最終計算出所有節點相對于該支座的相對運動［2］。為了消除剛體位移，對平臺支持船邊界條件采取慣性釋放。本船慣性釋放點位于節點8 159。

2．2 載荷及載荷施加

2．2．1 工況

根據平臺支持船穩性計算書的相關要求，并且計入波浪對船體的作用，該船的計算工況主要分為12種。其工況情況具體如下:

工況1:滿載出港—(波峰位于船中);

工況2:滿載出港—(波谷位于船中);

工況3:滿載到港—(波峰位于船中);

工況4:滿載到港—(波谷位于船中);

工況5:壓載出港—(波峰位于船中);

工況6:壓載出港—(波谷位于船中);

工況7:壓載到港—(波峰位于船中);

工況8:壓載到港—(波谷位于船中);

工況9:最大甲板載荷出港—(波峰位于船中);

工況10:最大甲板載荷出港—(波谷位于船中);

工況11:最大甲板載荷到港—(波峰位于船中);

工況12:最大甲板載荷到港—(波谷位于船中)。

平臺支持船舶的計算載荷主要有舷外水壓力、貨物重量和船舶結構自重等。

2．2．2 舷外水壓力

分別計算各航行工況下，波谷在船中和波峰在船中的情況，然后計算出船舶兩側的實際波高分布情況，最后將計算得到的舷外水壓力加載到船體外側濕表面的有限元單元上［5］。

對于船長不足150 m的船舶，波長λ取船長尺度。計算波高 h0取1/20波長用于計算波浪彎矩［6］。波浪形式取規則余弦波。不同航區的計算波高h0和計算波長λ0分別按式(1)、式(2)計算:

式中:λ 為波長，λ =76．013 m。

經計算，h0=3．80 m。

式中:L為垂線間長，L=76．013 m。

經計算，λ0=2．87 m。

最終計算波長取為2．87 m。

2．2．3 貨物重量

船舶貨物重量按照穩性計算書的要求施加。以滿載出港(冰)為例，貨物包括:水泥556．4 t，燃油884．8 t，淡水 596．1 t，甲醇 257．2 t，雜物 56．7 t，泥漿 1 775．8 t，壓載水 63．2 t，潛水箱 368．8 t，人員40 t，冰體 72．5 t。

2．2．4 有限元計算結果

通過有限元軟件分析，得到船舶的計算應力云圖，其應力云圖如圖3所示。

整理不同工況下甲板、船底板、外板和橫縱艙壁的計算情況，其結果見表1。

從圖3、表1中可以看出:

(1)經過數值模擬全船計算分析，甲板、船底板、舷側外板以及內部各構件的計算結果都小于許用值，即船舶結構強度滿足規范要求。

(2)通過應力云圖可以發現，全船結構的應力集中主要分布在舷側以及艏部底部區域，跟所受到的載荷有關。

(3)邊界條件采用慣性釋放。采用這種方式可以避免約束集中的情況，能夠詳細反映整船的真實情況。但是值得注意的是，模型上施加的重量跟實際船的重量要保持一致。

(4)甲板和船底受到的最大應力為248 MPa，裕度為23%;舷側外板最大應力為237 MPa，裕度為26%;橫縱艙壁最大應力為202 MPa，裕度為37%。可見整船結構強度離許用值還有一定差距，因此可以對船體板材進行結構優化。

圖3 平臺支持船不同位置應力云圖(工況1)

表1 各構件計算應力匯總表

3 結構優化后的總縱強度分析

3．1 優化措施

本節提出平臺支持船的結構強度優化措施用以改善原始的船舶結構，最終再次評估船舶的局部強度［7］。改善措施:橫縱艙壁在厚度上作相應調整，中部橫艙壁8 mm變為6 mm，縱艙壁上方10 mm變為9 mm;舷側外板由原來12 mm變為10 mm。具體施加部位如圖4所示。

3．2 計算結果

對改進后的結構進行有限元直接計算，校核其強度，計算結果見表2。其中，以最危險工況滿載出港為例，計算工況分為以下2種:

計算工況13:滿載出港—(波峰位于船中)計算工況14:滿載出港—(波谷位于船中)

圖4 優化措施

表2 各構件計算應力匯總表

3．3 優化后結構分析

本節借助于MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN對平臺支持船改進后的結構連接強度進行有限元分析。在邊界條件處理、載荷外力施加等內容不發生變化下建立有限元模型并進行強度計算分析。

主要分析如下:

(1)通過有限元計算分析發現，工況13和工況14處的甲板、船底、舷側外板和艙壁板的應力計算值要比工況1和工況2計算出的結果要大，同時所有結構的計算值均小于許用應力。這一情況說明改進后的結構強度依然滿足規范要求，更重要的是能夠減輕船體重量。

(2)有限元計算分析能夠全面地反映出整條船的結構強度，這也為設計和建造奠定基礎。同時可以對船舶進行結構改進和優化，然后進行結構強度分析研究，最終優化船舶結構設計。

4 結論

通過有限元軟件 MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN進行總縱強度分析計算，在應力分析的基礎上，調整船舶結構，降低船體結構應力，優化船舶結構;經過有限元模型計算后，優化后的全船結構最大應力相對優化前降低明顯，所有工況下主船體各部分的應力計算值均小于許用應力，船體結構應力分布較為均勻，達到了支持船結構優化設計的要求，在結構強度滿足規范要求的前提下，減輕了船體的結構重量。

［1］ 高茂進．108 m甲板貨船總縱強度直接計算分析［J］．江蘇船舶，2014，31(3):12-13．

［2］ 楊代盛．船舶強度與結構設計［M］．北京:國防工業出版社，1992．

［3］ TROMANS P S，ANATURK A R，HAGEMEIJER P．A new model for the kinematics of large ocean waves-application as a design wave［C］//The First International Offshore and Polar Engineering Conference．International Society of Offshore and Polar Engineers，1991．

［4］ TAYLOR P H，JONATHAN P，HARLANG L A．Time domain simulation of jack-up dynamics with the extremes of a Gaussian process［J］．Journal of vibration and acoustics，1997，119(4):624-628．

［5］ 劉磊．內河甲板駁船的加寬改裝結構強度研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學，2013．

［6］ FONSECA N，SOARES C G．Comparison of numerical and experimental results of nonlinear wave-induced vertical ship motions and loads［J］．Journal of Marine Science and Technology，2002，6(4):193-204．

［7］ 盛振邦，楊尚榮，陳雪深．船舶靜力學［M］．北京:國防工業出版社，1992．