超深水鉆井船Catwalk基座強(qiáng)度有限元分析

肖敬發(fā)，趙 銳

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

0 引言

Catwalk（RISER CATWALK MACHINE）是船上非常重要的設(shè)備，是由液壓傳動(dòng)的。它的主要用途是運(yùn)輸鉆桿外的套管，將鉆桿套管運(yùn)輸?shù)姐@井塔下，并輔助鉆桿套管豎立起來(lái)，方便吊機(jī)吊運(yùn)與拼裝。本船為海上超深水鉆井船，配有2套Catwalk運(yùn)輸系統(tǒng)，一套是用來(lái)運(yùn)輸鉆桿的，另一套是用來(lái)運(yùn)輸鉆桿套管的。Catwalk運(yùn)輸系統(tǒng)在這一運(yùn)輸過(guò)程中所產(chǎn)生的力都將由基座及支撐平臺(tái)來(lái)承受。同時(shí)，按照ABS（American Bureau of Shipping，美國(guó)船級(jí)社）的規(guī)范要求，Catwalk運(yùn)輸系統(tǒng)在不同環(huán)境及工況下使用，會(huì)使Catwalk基座及受力將出現(xiàn)多種不同的狀態(tài)。在這些狀態(tài)下的Catwalk基座及上層建筑甲板結(jié)構(gòu)的受力情況各不相同。因此，本文將采用有限元模型分析法對(duì)Catwalk基座及加強(qiáng)構(gòu)件進(jìn)行有效的分析計(jì)算，使Catwalk基座在各種工作狀態(tài)下均有足夠的強(qiáng)度作為支撐，以確保Catwalk基座在各種工作狀態(tài)下的安全性。

1 Catwalk基座的組成及布置

Catwalk基座主要由設(shè)備基座支撐平臺(tái)、設(shè)備工作平臺(tái)及走道平臺(tái)組成，其中Catwalk設(shè)備基座支撐平臺(tái)的高度距上建甲板2 267 mm，走道平臺(tái)和工作平臺(tái)的高度距上建甲板2 800 mm，Catwalk設(shè)備的自身重量為35.9 t，安全設(shè)計(jì)工作載荷為40 t，WL單元重量為30 t，設(shè)計(jì)縱向張力30 t，WL工具間重量為30 t（1 t=9.8 KN）。其具體分布詳情如圖1、圖2所示。

圖1 Catwalk基座分布詳情

圖2 Catwalk基座支撐點(diǎn)布置

2 三維模型及受力說(shuō)明

2.1 模型的建立依據(jù)

根據(jù)ABS[1]相關(guān)規(guī)定，支撐結(jié)構(gòu)和基座的強(qiáng)度校核中是為了較好地描述區(qū)域中的結(jié)構(gòu)部件在各個(gè)方向上的受力分布情況，應(yīng)盡可能采用三維有限元模型進(jìn)行分析，如用交叉梁系或板梁組合模型，則模型簡(jiǎn)化應(yīng)合理且趨于保守。對(duì)于三維有限元模型的范圍、單元及邊界條件的取用原則如下。

1）模型范圍及邊界條件：采用局部立體結(jié)構(gòu)模型，以基座有效作用平面矩形（a×b）形心為中心，向四周分別擴(kuò)展至少一倍的該矩形相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)、寬距離（3a×3b）；垂向從基座面擴(kuò)展至甲板之下的第一個(gè)平臺(tái)甲板或至少D/4處（D為型深）。

2）如按上述方法框取的模型邊界上未設(shè)置結(jié)構(gòu)的主要支撐構(gòu)件，則模型應(yīng)再延伸直至邊界落在結(jié)構(gòu)的主要支撐構(gòu)件上，邊界條件可考慮自由支持或固定支持。

3）若邊界條件或模型的大小對(duì)中心區(qū)域的計(jì)算結(jié)果較為敏感，則應(yīng)再適當(dāng)擴(kuò)大局部模型的取用范圍，以不影響中心區(qū)域的計(jì)算結(jié)構(gòu)為原則。

2.2 模型價(jià)紹

本模型結(jié)合上述要求，采用有限元軟件對(duì)Catwalk基座所在的上層建筑結(jié)構(gòu)用幾何方式模擬出上層建筑的結(jié)構(gòu)輪廓，在此基礎(chǔ)上建立甲板單元，甲板、艙壁、基座、支架、大梁肘板與強(qiáng)肋骨框架模擬使用板單元，縱向加強(qiáng)筋和肋骨框架模擬使用梁?jiǎn)卧Ｓ绕涫窃陉P(guān)鍵區(qū)域、管道縱向和橫向，需加強(qiáng)模擬使用板單元。此外，整個(gè)行走平臺(tái)包括格柵使用等效的板單元模擬。基座和行走平臺(tái)網(wǎng)格大小約為100 mm×100 mm，Catwalk基座結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格大小為 175 mm×175 mm，優(yōu)化網(wǎng)格大小約為60 mm×60 mm。

2.3 受力說(shuō)明

根據(jù)相關(guān)船體結(jié)構(gòu)的加速度、基座加速度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)位置附近的加速度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。此外，船舶運(yùn)動(dòng)應(yīng)該滿足ABS[1]規(guī)范。2種類型的加速度表如表1所示。

表1 慣性載荷

根據(jù)ABS-MODU[2]規(guī)范，在極限工況的最大風(fēng)速為51.5 m/s。因此，風(fēng)壓計(jì)算式(1)為

式中：C為形狀系數(shù)；Ch高度系數(shù)；Vref為風(fēng)速，Vref=51.5 m/s。

表2中列出了每個(gè)Catwalk支撐點(diǎn)組合載荷狀態(tài)下的反作用力，所以風(fēng)力作用于WL單元和WL工作間的計(jì)算參數(shù)如表2所示。最嚴(yán)重的負(fù)載條件下的風(fēng)力在表2中列出，若只考慮沿Y方向則如表3所示。

表2 風(fēng)力

走道平臺(tái)的甲板載荷為 0.5 t/m2，WL單元和WL工作間周圍區(qū)域甲板載荷為1 t/m2。

除了API 5 l B級(jí)管屈服應(yīng)力是241 MPa之外，走平臺(tái)是低碳鋼，其屈服強(qiáng)度為235 MPa，所有船體結(jié)構(gòu)、基座及加強(qiáng)構(gòu)件均為高強(qiáng)度鋼材，最小屈服強(qiáng)度為355 MPa。楊氏模量是2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，密度是7.85×10-6kg/mm3。

3 載荷工況條件

不同方向的慣性載荷和風(fēng)力，將導(dǎo)致不同方向的反應(yīng)強(qiáng)度，所以應(yīng)考慮表3中的8個(gè)載荷工況下的條件。

表3 載荷工況條件

此外，所有載荷條件包括自重載荷、設(shè)計(jì)拉伸載荷、甲板載荷和垂直加速度。此處的重力加速度為9.81 m/s2。

4 邊界條件

上層建筑邊緣和 Catwalk基座的邊緣節(jié)點(diǎn)約束了X、Y和Z的位移（見(jiàn)圖3、圖4）。走道平臺(tái)的格柵沿短邊約束Y向位移，沿著長(zhǎng)邊約束X向位移（見(jiàn)圖5、圖6）。

圖3 上層建筑&Catwalk基座邊界條件，約束X、Y、Z位移

圖4 上層建筑邊界條件，約束X、Y、Z位移

圖5 走道平臺(tái)邊界條件（約束Y位移）

圖6 走道平臺(tái)邊界條件（約束X位移）

5 分析結(jié)果

5.1 屈服應(yīng)力

根據(jù)ABS-MODU[2]規(guī)范，板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)根據(jù)等效應(yīng)力，在組合工況下的安全系數(shù)取1.11，獨(dú)立構(gòu)件的安全系數(shù)取1.25。許用應(yīng)力參數(shù)如表4所示。

表4 許用應(yīng)力

5.2 最大屈服應(yīng)力

根據(jù)ABS-MODU[2]規(guī)范，若要檢測(cè)各工況下的組合結(jié)構(gòu)件或單獨(dú)結(jié)構(gòu)件所受的最大屈服應(yīng)力校核是否安全，詳情見(jiàn)表5。計(jì)算模型如圖7～圖9所示。

5.3 最大/最小桿應(yīng)力

根據(jù) ABS-MODU[2]規(guī)范，各工況下的最大/最小的組合桿應(yīng)力校核是否安全，詳情如表6所示。計(jì)算模型如圖10～圖11所示。

表5 最大屈服應(yīng)力

圖7 最大屈服應(yīng)力-高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)（單位：MPa）

圖8 最大屈服應(yīng)力-Catwalk基座平臺(tái)（單位：MPa）

圖9 最大屈服應(yīng)力-過(guò)道平臺(tái)（單位：MPa）

表6 最大/最小桿應(yīng)力

圖10 最大組合桿應(yīng)力-Catwalk基座管支撐（單位：MPa）

圖11 最小組合桿應(yīng)力- Catwalk基座管支撐（單位：MPa）

5.4 位移結(jié)果

根據(jù)有限元模型計(jì)算,得出相應(yīng)位移數(shù)據(jù)如表7所示[3]。

表7 位移參數(shù)

在有限元模型分析結(jié)果中，對(duì)這 8種工況下Catwalk基座及過(guò)道平臺(tái),結(jié)構(gòu)的最大屈服應(yīng)力、最大最小桿應(yīng)力及位移做了有效分析。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件的最大屈服應(yīng)力為207 MPa，過(guò)道平臺(tái)的最大屈服應(yīng)力為91.9 MPa，管支撐最大屈服應(yīng)力為187 MPa，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件的最大桿應(yīng)力為172 MPa，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件的最小桿應(yīng)力為169 MPa，管支撐最大桿應(yīng)力為59.8 MPa，管支撐最小桿應(yīng)力為103 MPa。這8種工況下最大的位置量為17.5 mm，最小位移量為15.2 mm。通過(guò)對(duì)模型載荷及約束條件的設(shè)置，真實(shí)地模擬出了實(shí)船結(jié)構(gòu)，因此根據(jù)數(shù)據(jù)顯示結(jié)果顯示，滿足相關(guān)要求。綜上所述，該Catwalk基座及過(guò)道平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足ABS規(guī)范要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)有限元三維模型分析法，對(duì) Catwalk基座及平臺(tái)在模型當(dāng)中的8種工況下的受力進(jìn)行了加載，根據(jù)相關(guān)要求分別進(jìn)行計(jì)算，并給出計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果顯示，本次Catwalk基座及平臺(tái)的設(shè)計(jì)在各種不同工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析計(jì)算結(jié)果精確，更直觀地說(shuō)明了本船Catwalk基座及平臺(tái)的相關(guān)結(jié)構(gòu)均能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。