基于瞬態方法的岸電組塊裝船滑道強度分析

江 錦，孫華峰，秦立成，任 濤，高 巍

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

本文以渤海某岸電工程5 000 t組塊滑移裝船為例，采用移動荷載對裝船過程中的滑道、滑靴進行瞬態受力分析。

整個分析的難點在于載荷所加載的區域隨時間而發生變化。組塊在裝船過程中，由于牽引絞車的拖拽，重量逐步由碼頭向船上轉移。由于船上滑道承受壓力的區域也是隨著時間變化的，因此可以用施加移動荷載的方法進行瞬態受力分析。基本的分析計算過程可以概括如下：其一，建立三維模型；其二，瞬態分析前處理；其三，瞬態分析設置及邊界條件；其四，瞬態分析后處理。利用ANSYS Workbench的Transient Structural模塊可以對這個過程進行仿真模擬。

1 滑道及滑靴受力分析

1.1 裝船過程中滑道受力工況分析

組塊在裝船過程中，滑道受力主要來自于上部組塊的重力。組塊通過滑靴向滑道傳遞重力，滑靴底部為木頭，裝船前一般在滑道表面涂抹黃油以減小摩擦。因此在滑道結構受力分析中，可以忽略相切于上表面的摩擦力，而只分析沿著上表面法向方向的力。隨著組塊逐步前進，滑道上受壓的面積和力的大小也隨時間增加，直至單腿的支撐力全部由陸地轉移至滑道。提取SACS結構計算中裝船工況下的支反力，見表1，以其中B2支撐點的最大值12 227.52 kN作為分析的輸入條件。組塊裝船過程如圖1所示，各支撐點編號如圖 2所示[1]。

圖1 組塊裝船過程示意

圖2 支點布置編號

表1 各支點反力

1.2 滑道有限元模型建立

根據圖紙建立滑靴模型和滑道模型，見圖3。為了校核滑道在滑靴移動過程中的受力狀況，建模時將滑靴擺在初始位置。滑靴長10 m，單節滑道長12 m。

圖3 三維實體模型

利用Workbench進行網格劃分時，系統自動為模型指定了Solid187單元。Solid187單元為高階3維10節點固體結構單元，具有二次位移模式，可以更好地模擬不規則模型。滑靴和滑道之間利用接觸單元進行模擬，采用的單元分別是CONTA174單元和TARGE170單元，見圖4。接觸類型設定為Frictional，摩擦系數按DNVGL規范（見表2） 中給定的數值取值，取0.15。

表2 DNVGL規范中摩擦系數取值

圖4 滑靴和滑道接觸

接觸面定義了滑靴和滑道之間的相互作用，在接觸面上采用相同的網格密度有利于分析結果更快收斂。在網格的局面控制中，單獨增加Contact Sizing控制模型以在接觸面上產生大小一致的網格。對滑靴頂面施加向下的力，在滑道底面施加固定約束，對滑靴的左端面施加一個2.0 m的位移約束，建立如圖5所示的有限元模型。

圖5 三維實體有限元模型

1.3 計算方法及參數設置

本文研究的計算方法使用了瞬態動力學分析，目的在于確定在受隨時間變化荷載作用下的結構的動力學響應，分析過程涉及了非線性特征。完全法采用完整的系統矩陣計算瞬態響應，計算結果顯示，采用完全法完成瞬態動力分析，在三種分析方法（即完全法、縮減法、模態疊加法）中，其功能最強，可包括各類非線性特性，利用ANSYS Workbench進行分析時，需要打開結構大變形的影響[2]。

積分時間步長的大小既影響計算效率，又影響瞬態動力分析的精度和收斂性。時間步長越小，精度越高。太大的積分時間步長會影響較高階模態的響應，從而影響計算精度。自動時間步長可按響應頻率和非線性效果自動調整求解期間的積分時間步長，對于非線性分析，自動時間步長還會適當地增加荷載，并在達不到收斂時回溯到先前收斂的解。計算時利用Auto Time Stepping激活自動時間步長，具體的時間步設置如表3所示[3]。

表3 瞬態分析計算參數設置

1.4 計算結果分析

在組塊腿支反力和位移約束的作用下，滑靴從滑道的左端滑動到了右端，完成了設定的計算目標，滑靴的位移計算結果如圖6所示。

圖6 位移計算結果/mm

分別查看滑靴和滑道的應力響應結果，滑靴在分析時長期間的應力變化如圖7所示。在分析的開始階段，滑靴的最大應力達到326.48 MPa，但是與相鄰時間點的應力結果不連續，圖8中所示最大應力出現在滑靴上表面鋼板拼接的轉角處，此處產生了應力集中，但是區域很小，不應作為校核滑靴主結構受力分析的參考應力。滑靴鋼材屈服強度為355 MPa，應力最大允許值為355 MPa×0.9=319.5 MPa。從圖中可以看出，滑靴受力在平穩階段穩定在94 MPa，遠小于滑靴最大許用應力[4]。

圖7 滑靴受力時間曲線

圖8 滑靴受力云圖/MPa

單獨分析滑道的受力結果如圖9所示，在整個過程中，滑道受到的最大應力為200.67 MPa，最大應力的區域是隨著滑靴的移動而變化的，大致位于滑靴中心位置的下方，這與實際的受力情況也非常吻合。按滑道最大許用應力為355 MPa×0.9=319.5 MPa進行校核，滑道的應力在整個滑動過程中沒有超過其許用應力[5]。

圖9 滑道受力云圖/MPa

2 結束語

岸電組塊結構質量大，滑移裝船仍是一種非常重要的選擇。針對滑移裝船中滑靴和滑道的結構強度校核問題，采用瞬態動力分析的方法建立有限元模型，并按規范要求施加接觸摩擦系數和按實際運動施加位移約束，得到了滑靴和滑道對應不同時間的應力結果，同時得出以下結論：第一，經過瞬態分析，測試項目中滑道和滑靴的結構強度滿足裝船要求；第二，瞬態分析方法用于滑移裝船的結構強度校核具有一定優勢，可以在一次分析結果中給出結構不同區域的動態應力響應。