考慮半潛式平臺變形的墊木優化設計

劉起成 蔡連財 劉旭

摘 要：半潛式平臺通常采用半潛船干拖的方式進行長距離遠洋運輸，平臺采用打橫裝的積載方案時，平臺旁通及立柱通常外伸于半潛船舷側，若采用常規等高度的墊木鋪設方式，忽略外伸結構導致的平臺變形對墊木壓力分布的影響，半潛船舷側附近平臺結構以及墊木會發生損壞，從而影響平臺遠洋運輸的安全性。本文提出一種在等高度的墊木上添加變厚度三合板的方法，使得半潛式平臺的重量更加均勻的分布在墊木上，提高半潛式平臺遠洋運輸的安全性。

關鍵詞：半潛式平臺;半潛船;墊木優化設計;結構強度

中圖分類號：U693 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）02-0111-03

半潛式平臺通常采用半潛船干拖的方式遠洋運輸，其重量通常達到數萬噸，且其通常打橫積載于半潛船船中或者船中偏船首位置。半潛式平臺的旁通長度通常遠大于半潛船的船寬，且平臺立柱通常部分或者全部懸出半潛船舷外，平臺的大部分重量通過立柱傳導下來，使得平臺在靜載下出現中拱現象，如圖1所示。常規等高度的墊木鋪設方式假定貨物為剛體，沒有考慮貨物的變形對墊木應力分布的影響[1]。通過有限元分析發現，在等高度的墊木鋪設方式下，靜載工況下會出現半潛船船中部分墊木受載較小甚至不受載而舷側部分墊木過載的情況，導致舷側部分墊木損壞，貨物局部結構強度不足，進而影響貨物的運輸安全。

本文以某5萬噸半潛船裝載某半潛式平臺為例，通過有限元分析的方式，在等高度墊木方案的基礎上提出了一種新的優化方法，使得半潛式平臺等外伸較多的重大件貨物的重量能更加均勻的分布到墊木上，從而提高半潛式平臺等外伸較多的重大件貨物遠洋運輸的安全性。

1等高度墊木設計

某5萬噸半潛船裝載某半潛式平臺積載方案示意圖如圖2所示。根據以下原則設計等高度墊木[1]：

（1）采用軟木類型的墊木;

（2）根據貨物底部強結構的位置鋪設相應的墊木，一般首先考慮貨物的縱橫艙壁位置，其次考慮縱向桁材、實肋板等強結構處，同時應考慮避開犧牲陽極，海底閥箱邊緣等突出物;

（3）根據不同的作業海況，不同的墊木高度采用不同的墊木固定方式，通常采用扁鐵和角鋼焊接對木頭進行固定，保證裝卸貨及航行過程中木頭一直保持在原位置;

（4）根據貨物積載在半潛船上的重心位置，將墊木均勻的布置在重心位置附近較大區域，防止偏心壓力造成局部墊木受力過大導致損壞。

根據以上原則鋪設墊木，如圖3所示，按此布置方案，假定貨物為剛體，核算出墊木的最大靜壓力為0.9N/mm2。

2 等高度墊木強度分析

上文中等高度墊木初步設計方案中未考慮貨物變形對墊木壓力的影響，本章根據上文中鋪設的等高度墊木，采用有限元方法對墊木的應力分布進行分析。本文假定半潛船為剛體，即不考慮半潛船船體變形的影響。

2.1 有限元模型

采用有限元軟件GeniE 64對半潛式平臺進行有限元建模，對外板、縱橫艙壁、強肋板、桁材的腹板等采用板單元模擬，桁材上的面板及扶強材等采用梁單元模擬，對大型設備等采用質量單元模擬，質量單元與平臺結構之間采用剛性梁連接[2-3]。通過調整各部分結構的密度，將平臺有限元模型的重量重心調至與實際基本一致。平臺總重量約為25000ton，有限元模型如圖4所示。

采用板單元對墊木進行模擬，板厚設為墊木的寬度，墊木模型如圖5所示：

考慮到墊木采用了扁鐵進行固定，對模擬墊木的板單元下沿六自由度進行約束，如圖6所示。

2.2 結果與分析

在重力作用下，平臺的變形云圖如圖7所示，從圖中可以看出，平臺在自重下發生中拱;墊木的壓力分布如圖8所示，從圖中可以看出，中間很大一部分墊木受載很小甚至不受載，而靠近半潛船舷側部分墊木壓力過大，最大達到12.45N/mm2，遠超規范[4]中規定的墊木許用壓力2.0N/mm2。墊木受載嚴重不均，會對貨物及墊木的結構安全產生嚴重影響，需要采取適當措施使得平臺重量更加均勻的分布到墊木上。

3 墊木優化方法介紹

本章介紹一種方法，考慮外伸貨物變形對墊木壓力分布的影響。通過預先調整墊木高度，即在等高度的墊木方案基礎上增加變高度的三合板，達到貨物靜載荷重新分配，使得貨物重量更加均勻的分布到墊木上。

3.1 模型調整

為了使得貨物的重量更加均勻地分配到墊木上，可以假定貨物放置在非常柔軟的支撐上，貨物在自重下發生變形。為此，根據工程經驗，將墊木的彈性模量降低一千倍。

3.2 約束及載荷

為了防止貨物在XY平面移動，除了對模擬墊木的板單元下沿六自由度進行約束，還需對平臺旁通上選取兩個點施加約束，一個點約束x和y向，另外一個點約束y向，如圖9所示。

僅考慮重力加速度，g取9.81 m/s2。

3.3 計算結果

在重力作用下，平臺在非常柔軟的支撐作用下的變形如圖10所示。墊木的壓力分布如圖11所示，從圖中可以看出，舷側墊木壓力稍大于中間部分墊木壓力，但總體墊木受力非常均勻，約為0.93N/mm2，和理論評估值非常接近，證明了有限元方法的準確性和可靠性。

3.4 墊木高度調整

圖中紅色和藍色曲線分別表示的是左舷和右舷旁通的變形曲線。為了模擬墊木沿著旁通縱向的高度變化，選用不同厚度的三合板鋪設在原等高度的墊木上，按工程經驗，選用4mm，6mm，9mm，12mm等四個厚度的三合板進行設計，可以保證設計值與理論值之間誤差不大于4mm。選用過小的厚度梯度對于實際工程不太現實，選用過大的厚度梯度將會導致墊木壓力分布出現應力集中現象。基于平臺旁通的變形曲線，可以設計出沿著平臺縱向三合板分布的高度曲線，如圖12中綠色折線所示。旁通中間附近采用較大的厚度可以使得更多載荷分配到船中處的墊木上，減少舷側及外伸部分下墊木承受的載荷。

4結果與討論

本文討論了半潛式平臺在遠洋運輸過程中，若采用常規的等高度的墊木方案，會出現墊木應力分布嚴重不均，從而導致墊木和貨物局部結構強度不足而發生損壞。為此提出一種墊木優化方法，即在等高度的墊木方案基礎上進行優化，基于平臺在自重作用下位于柔軟支撐上產生的變形形狀，設計出三合板沿著平臺旁通縱向的高度變化曲線。參照此曲線形狀選擇合適的厚度梯度鋪設三合板后，貨物坐在變高度的墊木上，靜載作用下重新較為均勻的分布到墊木上，提升了貨物遠洋運輸的安全性，對于類似外伸較多的貨物在進行遠洋運輸墊木設計時具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]張樂. 基于工程船遠洋運輸的枕木設計與分析 [J]. 中國水運，2019（5）：75-77.

[2]黃賢俊，楊平. 有限元程序在重特大件運輸中的運用 [J]. 世界海運，2004，27（1）：20-22.

[3]梁學先，孫偉英，樊之夏，黃山田. 深水半潛式平臺運輸結構強度分析[C]//第十五屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集：495-498.

[4]DNV-GL Marine Operations and Marine Warranty DNVGL-ST-N001，2020.