基于CAD/CAE協同設計的海洋工程陸地建造方案設計

龐 慶，龐煌煒，劉景生

1.深圳赤灣勝寶旺工程有限公司，廣東 深圳 518068

2.重慶水泵廠有限責任公司，重慶 400033

海洋工程結構陸地建造的普遍方法是將整個結構按一定的規則和方法分解為多個分片或分結構體，這些分片或分結構體在地面上預制完成后在履帶吊機的協助下，再以一定的順序完成組裝。海洋工程結構外型尺寸和重量都比較大，如導管架（組塊）重量一般在幾千噸到幾萬噸之間，每個分片或分結構體重量也在幾十噸到幾百噸之間，因此從規范和安全的角度考慮，都要對結構進行強度校核。基于CAD/CAE協同設計理念，在已建立的CAD模型基礎上，采用Workbench對板殼組成的復雜結構體進行強度校核，更加快捷和高效。

1 分析思路和方法

打開Workbench有限元軟件讀取已建立的三維實體文件并完成實體修改，用抽殼命令將實體單元轉換成殼單元。由于海洋工程結構的焊縫為溶透焊，將殼單元的連接設置成邊對邊和邊對面的剛性連接方式，既可以選擇程序自動產生剛性配對連接，又可以手工選擇配對連接，另外這些配對連接可以編輯、修改和刪除，以模擬出符合實際的結構。劃分單元，也就是把所有的殼單元網格化，根據結構的復雜程度和計算規模要求可以設定網格的尺寸大小形狀，一般選默認即可，如果需要也可以再細化局部網格。完成上述工作后就可以輸入載荷和邊界條件，然后確定需要的輸出內容，比如剪應力、第四強度等效應力、整體變形等，運算后就可得到需要的計算結果。

2 工程實例

2.1 滑靴優化設計

滑靴是一種組合箱型結構，由各種厚度不同的鋼板焊接而成。滑靴作為承載和滑動的一種結構體，既要承載陸上建造過程中導管架（組塊）產生的重力載荷及滑移裝船時整個導管架（組塊）產生的動載荷，同時還要承受海上運輸時各種環境載荷，因此滑靴傳統上設計得很保守。

按詳細設計計算報告單個滑靴承載重力載荷為864t，拖點拉力為182t。經加載計算后，在保證滑靴的強度條件下，將同樣承載噸位的單個滑靴結構凈重從35t減少到15t，共減少鋼材用量160t（共8個滑靴）。滑靴剪應力分布云圖如圖1所示，其最大剪應力為118.4MPa。滑靴等效應力分布云圖如圖2所示，其最大等效應力為213.3MPa。按《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003），優化設計后的滑靴結構強度符合要求。

圖1 滑靴剪應力分布云圖

圖2 滑靴等效應力分布云圖

2.2 導管架裙樁套筒組件吊裝

裙樁套筒組件吊裝重量為362t，在地面預制完成后需用3臺吊機聯合作業將裙樁套筒組件吊起就位于離地面約84m的高空結構中。裙樁套筒組件吊點設計如圖3所示，其中吊點1為鋼絲繩直接兜管的連接方式，吊點2和吊點3的連接方式為鋼絲繩通過卡環連接板吊耳（板吊耳焊接在本體結構上），吊點1和吊點2所在的本體結構為厚壁管其結構強度按以往應用經驗是可靠的，吊點3則位于下軛板（板厚70mm）上，目前還沒有應用經驗證明在該處焊接板吊耳的方法是否可行，因此有必要對結構整體進行吊裝強度校核，以確認吊點的布置符合結構的強度要求。裙樁套筒組件剪應力分布云圖如圖4所示，其最大剪應力為25.3MPa。裙樁套筒組件吊裝等效應力分布云圖如圖5所示，其最大等效應力為45.0MPa。按《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003）裙樁套筒組件整體吊裝強度符合要求，從這個角度說明吊裝方案設計是可靠的。

圖3 裙樁套筒組件吊裝設計（單位：mm）

圖4 裙樁套筒組件吊裝剪應力分布云圖

圖5 裙樁套筒組件吊裝等效應力分布云圖

3 結論

（1）CAD/CAE協同設計充分利用了CAD的建模成果，并將CAD模型轉化為CAE計算模型，減少了CAE煩瑣的建模工作量，降低了勞動強度，提高了設計效率。

（2）CAD/CAE協同設計充分利用了CAD豐富的建模工具，可解決由板、殼焊接組裝形成的較為復雜結構的強度校核問題。

（3）相較于以往的CAD和CAE割裂開的設計方法，CAD/CAE協同設計在海洋工程陸地建造加工設計方面具有實用和推廣價值。