推進器吊裝系統的結構設計和有限元分析

吳圻燁

(南通中遠船務工程有限公司，江蘇 南通 226006)

0 引言

隨著海洋工程的發展，半潛式生活平臺作為一個新型的海洋工程裝備應運而生。圓筒型的設計理念，更是有著技術先進、安全穩固、作業可靠等諸多優勢。而吊耳作為船舶建造過程中重要的運輸和起吊構件, 直接關系到整個吊裝過程的安全。如果吊裝過程中, 吊耳因強度不夠造成吊耳撕裂失效, 將對整個船廠造成不可估量的財產損失[1]。所以，在進行吊裝作業之前，對于吊耳結構的強度校核尤為重要。目前，在實際項目應用中，對于吊耳的強度校核一般采用理論算法, 但隨著計算機以及大規模計算技術的發展, 數值模擬技術的應用領域已涉及到各行各業, 采用有限元方法對吊耳強度進行校核已成為一種高效、準確且實用的強度校核方法[2]。

本文主要論述了某圓筒型海洋生活平臺用于推進器吊裝系統的結構設計，并利用有限元進行強度分析。此海洋生活平臺入級DNV船級社。

1 結構設計

1.1 設計概況

推進器吊裝系統的主要作用是起吊推進器，組成部分為：電動絞車、結構支架、吊耳及5個動滑輪組成的動滑輪組。其中，動滑輪組的安全工作載荷為1 000 kN，安裝于結構支架下的2塊耳板中間，經由電動絞車的牽拉完成推進器的吊裝工作，而吊耳支架作為主要的連接結構進行著有效的力傳遞。吊耳懸臂支架結構見圖1。

圖1 吊耳懸臂支架結構

1.2 設計方案

從圖1可知，吊裝部分的結構設計采用懸臂支架形式，選擇的型材為方鋼管。考慮到吊耳的工作載荷較大，與支架立柱焊接的甲板在厚度方向會承受較大的應力，所以該處甲板應使用Z向板。

1.3 型材規格選擇

由于懸臂結構主要承受較大的拉力，因而應選用較大的型材規格。本例中立柱及斜撐均選擇方鋼管RHS 400 mm×300 mm×15 mm，主要受力的橫向結構則采用更大規格的方鋼管RHS 400 mm×400 mm×15 mm。方鋼管材質均為高強鋼，根據挪威船級社規范DNV-OS-B101(Ch.2 Sec.1)，其屈服強度為355 MPa。

2 有限元分析

2.1 模型概述

此生活平臺僅布置一處吊耳懸臂支架，位于上甲板，距離基線35 000 mm。考慮到邊界條件的選取，具體的模型如下所述：沿船長—X軸方向從距離船中29 550 mm處結構至圓筒型外板；沿船寬—Y軸方向從左舷距離船中9 200 mm至右舷8 700 mm；沿高度方向—Z軸方向從距基線35 000 mm 至距基線31 000 mm處。

2.2 模型建立

該模型使用FEMAP軟件進行建模，甲板板、艙壁、外板及吊耳支架均使用板單元建模，T型材使用板單元建模，球扁鋼的腹板和球頭分別使用等效規格的板單元和桿單元來模擬。典型單元格的大小為100 mm×100 mm。有限元模型概況見圖2。

圖2 有限元模型概況

2.3 邊界條件

船長X和船寬Y方向上均為對稱約束，Z方向上為固定約束。

2.4 基本載荷

有限元分析時需要考慮的載荷有：結構自重、吊裝載荷、絞車自重、甲板載荷、由船舶運動引起的慣性負載(X、Y、Z三個方向)。現在分別對各基本載荷進行逐一說明。

(1)結構自重。為了使模型重量與實際保持一致，并保證載荷傳遞的準確性，在建模的過程中，一些次要結構及型材均會加以模擬，且所有的結構自重均由FEMAP軟件直接加載完成。

(2)吊裝載荷。本文研究的吊耳的安全設計載荷為1 000 kN。根據規范DNV 2.22 Lifting Appliance要求，計算時應考慮的載荷系數為1.5。廠家提供的設備資料顯示，繩子的最大破斷力為526 kN，而絞車的支持載荷僅為200 kN，但當絞車受力大于其支持載荷時，就會釋放剎車。綜上所述，需要用來加載檢驗吊耳強度的應為該絞車的支持載荷，并且根據實際的操作情況，本文選擇了正常工作狀態和極限角度狀態(橫傾/縱傾達到12°)時的兩種工況分別進行加載計算。吊耳典型受力狀態見圖3。

(3)絞車自重。絞車的重量由設備供應商提供。在FEMAP軟件中，通過質量點的形式模擬加載，并通過剛性連接進行力的有效傳遞。

Fh—水平方向拉力；Fz—垂直方向拉力。

(4)甲板載荷。根據甲板載荷布置圖，得到該位置處的甲板載荷。

(5)慣性力。根據船舶不同工況下的整體運動分析結果，可以得到設計部位的運動加速度，進而得到該結構的慣性力。

2.5 組合工況

基于上述基本載荷，根據相關規范標準、工作狀態，對基本載荷進行組合，得到用于強度分析的組合工況。本例共有12種組合工況。

2.6 運行分析

根據規范DNV-OS-C101(Sec.5 & Sec.7)，極限狀態(ULS)需要考慮材料的利用系數為1.15，而高強度鋼的屈服強度為355 MPa，所以許用應力為308.7 MPa；而意外狀態(ALS)需要考慮材料的利用系數為1，所以許用應力為355 MPa。

計算結果顯示，極限工況(ULS)及意外工況(ALS)最大應力分別為289.7 MPa(見圖4)和290 MPa(見圖5)，均滿足強度要求。

極限工況(ULS)及意外工況(ALS)的應力分布圖分別見圖6及圖7。

2.7 焊縫強度檢驗

在建模過程中，腹板與甲板連接之處，一般都會模擬成一塊較厚的板，但在實際操作中，腹板均是通過一道道焊縫與甲板連接。由于該懸臂支架上吊耳工作載荷很大，在起吊時會產生巨大的力與力矩，所以需要進行焊接檢驗。此例中，檢驗焊縫時應選擇軸應力最大時的工況，現分別對四道焊縫兩兩分析，見圖8。

圖4 最大值處應力分布_ULS工況

圖5 最大值處應力分布_ALS工況

圖6 整體模型應力云圖_ULS工況

圖7 整體模型應力云圖_ALS工況

WELD_1—第一道焊縫；WELD_2—第二道焊縫。

按照規范DNV-OS-C101(Sec.9)要求，校核公式如下：

式中：σ⊥d為焊縫檢驗面正應力；τ⊥d、τΠd均為焊縫檢驗面切應力；fu為最小的極限張力值；βw為相關性系數，γMw為焊接的材料系數。

由計算結果可讀出相應方向的拉力、彎矩等，并計算得出相應的應力值，結果分別見表1。

表1 焊縫參數列表

根據上述校核公式計算結果，可得兩道焊縫均符合焊接的強度要求。

3 設計優化

本懸臂支架結構，設計時要注意方鋼管端部與結構的處理及焊接方式的選擇。此類結構除了是主要支撐點之外，也是疲勞問題最容易產生的地方。在后續項目的相關地方，考慮到起吊過程會產生很大的應力，方鋼管與結構之間建議取消墊板形式；焊接方式改良至全焊透；并且為了避免集中應力的產生，在結構斜撐端部增加軟趾端用來傳遞應力。

4 結論

本文主要討論了吊耳支架的結構設計，并參照DNV規范，對其相應的加強進行了屈服強度的校核。對甲板板上的墊板進行了焊縫強度檢驗，以確保其滿足規范的接受范圍。在之后類似的吊耳設計中，可以據此經驗先確定主要的支撐形式和型材大小，然后利用有限元進行強度校核，最后再根據計算結果進行優化設計。

(1)校核吊耳結構強度時，應根據相應船級社的規范選擇合適的安全系數。這樣在吊裝作業時，按照設計工作載荷使用，能夠確保結構的安全可靠。

(2)從應力分布圖可看到，起吊推進器時，支架端部的應力值明顯增大，支架墊板會產生集中應力，可采用軟趾端的結構有效過度應力。