鋪管船改造門架系統結構強度分析

譚慧娟，張 燏，宋 健

(1.江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003；2.靖江新時代造船有限公司，江蘇 泰州 214500)

0 引言

海洋是人類可持續發展的戰略資源寶庫，海洋運輸及海洋工程輔助用船的高質量發展及技術創新迫在眉睫。鋪管船因數量有限無法滿足國內海底管道項目施工需求，未來鋪管船市場前景廣闊，因此需要不斷推進現有船舶改造升級，將現有甲板駁船改造成鋪管船。鋪管船是用于鋪設海底管道專用的大型設備，其船體是鋪管設備的載體，鋪管設備和鋪管工藝是核心。船尾門架在鋪管作業時發揮重要作用，因此門架的設計對整船的設計至關重要。本文研究的改造船總長約105 m，型寬30.47 m，型深6.41 m，根據非作業放置拖航工況和作業吊裝工況，改造船尾門架系統。為了確保門架結構的安全，采用MSC.PATRAN和NASTRAN軟件對整個門架結構進行有限元計算分析。

1 門架系統布置

某鋪管船船尾的門架系統由門架結構、拉桿結構、門架滑輪組、門架鉤和鋼絲繩組成，通過甲板上的雙滾筒絞車進行起吊作業。門架系統的示意圖(側視圖)見圖1。

圖1 船尾門架結構布置圖

門架結構總長約20 m，拉桿結構總長約17 m，除成品件以外的板材材料為D36。門架結構的示意圖(俯視圖及側視圖)見圖2，拉桿結構的示意圖(俯視圖)見圖3。

圖2 門架結構示意圖

圖3 拉桿結構示意圖

2 有限元模型

2.1 結構模型

建立模型時采用三維板梁組合單元。門架和拉桿結構采用平面四邊形板單元描述板格和腹板；局部過渡區域采用三角形板單元，內部橫筋板和縱筋板采用板梁單元組合的力學模型。

有限元模型的全局坐標Coord0系為直角坐標系，軸由艉部指向艏部為正，軸由右舷指向左舷為正，軸垂直向上為正。門架模型上端支座和拉桿支座建立局部坐標系。

2.2 邊界條件

模型中門架根部支座和拉桿根部支座的局部坐標約束所有線位移，以及約束縱向和垂向角位移。

2.3 計算載荷

門架結構強度分析，主要考慮的是鋪管船在風浪中航行和作業時所受的各種外載荷對門架結構強度的影響。按照中國船級社《船舶與海上設施起重設備規范》(2007)(以下簡稱《船起規范》)規定，門架及拉桿結構屬于普通起重機(重型起重機)類。根據《船起規范》3.2.2規定，應考慮如下幾種力和載荷：基本載荷；由船舶傾斜所產生的力；風力與環境的影響。

由于鋪管船長度小于4倍的船寬，根據《船起規范》3.2.10、3.2.11及3.2.14條的要求，主要考慮以下5種工況：無風吊重2 700 kN，橫傾3°，縱傾2°；橫向風吊重2 700 kN，橫傾3°，縱傾2°；縱向風吊重2 700 kN，橫傾3°，縱傾2°；橫向風吊重1 800 kN航行，橫傾16.4°；縱向風吊重1 800 kN航行，橫傾16.4°。

(1)門架及拉桿質量載荷

有限元計算得到門架重量為389 kN，實際重量共450 kN，調整模型屬性密度為8 600 kg/m。

有限元計算得到單根拉桿重量為97 kN，實際重量為100 kN，調整模型屬性密度為8 095 kg/m。根據《船起規范》，門架屬于浮式起重機，取作業系數=1.05，起升系數=1.10。

(2)基本載荷

工作時門架受到向下拉力約2 700 kN，受力點距艉封板24 m,則門架上端支座受沿鋼絲繩方向的拉力約2 700 kN×24 m/17.8 m=3 640 kN?？紤]作業系數、起升系數，實際加載在模型中的拉力為4 200 kN。

航行時受到向下拉力約1 800 kN，受力點距艉封板18 m,則門架上端支座受沿鋼絲繩方向的拉力約1 800 kN×18 m/17.8 m=1 820 kN?？紤]2倍垂向加速度，實際加載在模型中的拉力為3 640 kN。

該力以MPC加載形式加載于6個吊耳位置。

很顯然，通過并購來提高行業的集中度符合行業發展的規律，也符合國家轉型升級的戰略發展方向。早已看透這一點的人必然要搶先一步，占領先機。

(3)載荷匯總

橫向風作業、橫向風航行工況下的門架的載荷的分向加速度匯總見表1～表2。其余工況計算過程類似。

表1 橫向風作業工況下的載荷分向加速度 單位：m/s2

表2 橫向風航行工況下的載荷分向加速度 單位：m/s2

(4)拉桿受力分析

計算得到門架模型中拉桿底端沿拉桿方向的約束反力，將各工況下兩側拉桿計算較大值作用于拉桿模型的上端部，取靠舷側的一側拉桿的值。

3 結果分析

(1)許用應力衡準

根據《船起規范》3.2.16.1條，起重機構件許用應力[]按下式算得：

(2)應力計算值匯總

門架結構、拉桿的有限元分析中最大應力結果匯總見表3和表4。

表3 門架結構各種工況下D36鋼材的最大計算應力表 單位：MPa

表4 拉桿結構各種工況下D36鋼材的最大計算應力表 單位：MPa

(3)應力云圖匯總

門架結構和拉桿的應力云圖見圖4～圖9。

圖4 門架所有板單元最大相當合成應力(單位：Pa)

圖5 拉桿所有板單元的最大相當合成應力(單位：Pa)

圖6 門架所有梁單元的最大拉應力(單位：Pa)

圖7 門架所有梁單元的最大壓應力(單位：Pa)

圖8 拉桿所有梁單元的最大拉應力(單位：Pa)

圖9 拉桿所有梁單元的最大壓應力(單位：Pa)

4 結論

(1)采用有限元軟件模擬門架系統結構，對鋪管船在各作業及航行工況下進行計算分析，能夠更有效地校核結構強度；通過應力云圖分析更好優化門架系統結構設計。

(2)在不影響主船體其他結構情況下，該鋪管船的門架改造方案滿足了用戶的使用要求，順利完成船舶用途轉換。