王初龍

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

鉆井船60 t格子吊吊臂托架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

王初龍

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

利用有限元軟件MSC.Patran&Nastran，對(duì)某鉆井船尾部60 t格子吊吊臂托架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析，介紹了有限元分析模型的建立、邊界的設(shè)立以及載荷的計(jì)算選取，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析。

鉆井船；吊臂托架；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；有限元分析

0 引言

隨著對(duì)海洋資源勘探與開發(fā)的深入，作為勘探重要設(shè)備的鉆井船，其作業(yè)水深逐步增加，適應(yīng)海況也逐步擴(kuò)大。因此，船用起吊設(shè)備承擔(dān)的任務(wù)越來(lái)越重，作業(yè)半徑也相應(yīng)增大。由于船上設(shè)備布置極為緊湊，為了防止與其他設(shè)備發(fā)生碰撞，通常吊機(jī)都設(shè)計(jì)得較高。在這種情況下，用于存儲(chǔ)吊臂的托架也同樣設(shè)計(jì)得較為高大。由于船舶在波浪中運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著垂向高度值的增加，運(yùn)動(dòng)加速度也相應(yīng)變大，這就要求在惡劣的海況下托架有足夠的強(qiáng)度來(lái)存放吊臂。

本文根據(jù)ABS船級(jí)社《Mobile Offshore Drilling Unit 2012》[1]和《Rules for Building and Classing Steel Vessels 2012》[2]的有關(guān)要求，采用通用有限元分析軟件MSC.Patran&Nastran[3]，對(duì)該某鉆井船尾部60 t格子吊吊臂托架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度分析。

1 概況

格子吊在存放時(shí)，吊臂朝艏沿船長(zhǎng)方向水平放置在托架上部的凹槽中。格子吊及托架布置示意圖及吊臂存放截面示意圖1和圖2所示。

格子吊主要尺度：起吊重量為 60 t；總重為～147.5 t；吊臂及鉤頭、繩索等為～46.5 t。

托架尺寸為：總長(zhǎng)為4.33 m；總寬為3.82 m；總高為14.84 m。

2 有限元模型

2.1 模型的建立

根據(jù)規(guī)范要求[1]，采用局部立體結(jié)構(gòu)模型時(shí)，以托架有效作用平面矩形（a×b）形心為中心，向四周分別擴(kuò)展至少一倍的該矩形相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)、寬距離（3a×3b）。垂向從托架底面擴(kuò)展至甲板之下的第一個(gè)平臺(tái)甲板或至少D/4處（D為型深）。如按上述方法框取的模型邊界上未設(shè)置結(jié)構(gòu)的主要支撐構(gòu)件，則模型應(yīng)再延伸至邊界落在結(jié)構(gòu)的主要支撐構(gòu)件上。

總體坐標(biāo)系取右手直角坐標(biāo)系，其中，x軸：沿船長(zhǎng)方向，向艏為正；y軸：沿船寬方向，左舷為正；z軸：沿型深方向，向上為正。

考慮到局部分析且該區(qū)域應(yīng)力較高，本模型網(wǎng)格板單元盡量采用正方形，網(wǎng)格大小取1/4骨材間距，為 175 mm×175 mm；各構(gòu)件適用單元類型[3]如下：

1）板單元：甲板、艙壁、托架與甲板連接處結(jié)構(gòu)（包括管子和肘板）、托架上部凹槽結(jié)構(gòu)、其余肘板、扶強(qiáng)材及垂直桁的腹板。

2）梁?jiǎn)卧和屑芷溆鄻?gòu)件。

3）桿單元：扶強(qiáng)材及垂直桁面板。

4）在托架結(jié)構(gòu)中，梁?jiǎn)卧c板單元之間采用多點(diǎn)約束單元（MPC）來(lái)進(jìn)行過(guò)渡。

有限元模型如圖3所示。

2.2 邊界條件

甲板與艙壁的邊界處采用簡(jiǎn)支，即δx=δy=δz=0。

2.3 材料屬性及力學(xué)性能

本模型中船體結(jié)構(gòu)以及托架中所有板材均為高強(qiáng)剛HT36，而托架中選用的管材均為API5L X52，其主要屬性及力學(xué)性能參數(shù)如表1所示[2]。

表1 材料屬性及力學(xué)性能

在實(shí)際建模時(shí)，考慮到托架上的舾裝結(jié)構(gòu)不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而被省略，因此，質(zhì)量密度可以放大1.1倍，即8.635×10-6kg/mm3。

2.4 載荷及工況

本托架所承受的載荷主要為：

1）吊臂傳遞的載荷，包括由船舶運(yùn)動(dòng)加速度引

起的慣性力、重力及風(fēng)載荷；

2）托架自重；

3）托架自身由于船舶運(yùn)動(dòng)加速度引起的慣性力；

4）托架自身承受的風(fēng)荷。

除托架所受載荷以外，船體結(jié)構(gòu)甲板上還存在甲板載荷，也應(yīng)計(jì)入分析。

2.4.1 吊臂傳遞的載荷

根據(jù)設(shè)備商提供資料，在考慮運(yùn)動(dòng)加速度、風(fēng)力、自重及托架支撐位置等因素的情況下，吊臂傳遞給托架各個(gè)方向的載荷最大值如表2所示。

表2 吊臂傳遞載荷

2.4.2 托架自重

本模型中，自重采用慣性載荷施加方法，取模型整體重力加速度為9.81 m/s2。

2.4.3 托架慣性載荷

還去大連？你是不是還想著付玉？我怕你再和付玉攪合在一塊兒，這個(gè)女人可不是個(gè)好東西，你讓她害的還不夠？可別鬼迷心竅。再說(shuō)，你爹娘是在大連出的事，咱要去那兒，不是心里不舒服嗎？

各方向慣性載荷的計(jì)算可根據(jù)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，或者依據(jù)設(shè)備商提供的吊臂所受慣性載荷資料進(jìn)行選取。為保守起見，取兩者中大值進(jìn)行分析。規(guī)范計(jì)算值和設(shè)備商提供值如表3所示。

表3 慣性加速度

2.4.4 托架風(fēng)載荷

根據(jù)規(guī)范要求[1]，托架所承受風(fēng)載荷根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，f為0.611；Vk為風(fēng)速度，取51.5 m/s；Ch為高度系數(shù)，取1.1；Cs為高度系數(shù)，取1.5。

根據(jù)以上參數(shù)，并計(jì)及托架x向和y向的受風(fēng)面積（Ax,Ay），托架所受風(fēng)載如表4所示。

2.4.5 甲板載荷

根據(jù)該船技術(shù)規(guī)格書，該區(qū)域甲板載荷為5 t/m2。

2.4.6 工況設(shè)置

根據(jù)以上載荷，選擇表5中四種組合工況進(jìn)行計(jì)算。

表4 托架風(fēng)載荷

表5 計(jì)算工況

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 許用應(yīng)力

根據(jù)規(guī)范要求[1]，動(dòng)載工況下，各構(gòu)件的屈服強(qiáng)度許用應(yīng)力按式(2)計(jì)算。

式中，σs為材料屈服強(qiáng)度，MPa；n為安全系數(shù)。板單元Von Mises應(yīng)力取1.1，剪應(yīng)力取1.88；梁/桿單元應(yīng)力（桿單元為軸向應(yīng)力，梁?jiǎn)卧獮榻M合應(yīng)力）取1.25。

則各材料的許用應(yīng)力見表6。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

經(jīng)計(jì)算整理，各工況下托架及船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果匯總?cè)绫?和表8所示。

表6 許用應(yīng)力（單位：MPa）

表7 船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力匯總（單位：MPa）

各工況下托架及船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖見圖 4～圖10。

表8 托架結(jié)構(gòu)應(yīng)力匯總（單位：MPa）

從應(yīng)力結(jié)果可以看出，船體結(jié)構(gòu)和托架本身均滿足規(guī)范屈服強(qiáng)度的要求，且有一定余量。

對(duì)于托架下面的船體結(jié)構(gòu)，無(wú)論是板單元還是梁?jiǎn)卧?，高?yīng)力區(qū)域都集中在托架支柱下方和邊界處。對(duì)于邊界處的高應(yīng)力，符合圣維南原理，實(shí)際情況中，邊界為艙壁或強(qiáng)構(gòu)件，實(shí)際應(yīng)力要小于計(jì)算值；對(duì)于托架支柱下方的甲板結(jié)構(gòu)，由于圓形結(jié)構(gòu)不能與之很好對(duì)位，所以為避免應(yīng)力集中，需要支柱四周有足夠臂長(zhǎng)和厚度的肘板來(lái)降低應(yīng)力集中的影響。

對(duì)于托架結(jié)構(gòu)而言，應(yīng)力較高的地方主要是凹槽側(cè)面圍板根部、支柱與凹槽連接處，下端肘板與支柱連接處，以及最上面的水平連桿，這主要是由于托架較高且吊臂水平傳遞載荷較大的緣故。這些應(yīng)力較高點(diǎn)可以通過(guò)增加肘板或加大肘板的形式來(lái)減小應(yīng)力幅值。

4 結(jié)論

根據(jù)規(guī)范對(duì)鉆井船60 t格子吊吊臂托架進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析，得到了工況下托架結(jié)構(gòu)在組合載荷下的工作應(yīng)力，由結(jié)果可知該托架滿足強(qiáng)度要求，并通過(guò)應(yīng)力云圖對(duì)該結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行了分析。

[1]劉兵山, 黃聰.Patran從入門到精通[M].北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2003.

[2]ABS.Mobile Offshore Drilling Unit 2012[S].2012.

[3]ABS.Rules for Building and Classing Steel Vessels[S].2012.

Finite Element Analysis of Boom Rest Structural Strength of 60 t Lattice Boom Crane for Drillship

WANG Chulong
(COSCO Shanghai Shipyard Co., Ltd., Shanghai 200231, China)

Finite element analysis of boom rest structural strength for drillship 60 t lattice boom crane is carried out by MSC.Patran&Nastran.Establishing FE model, choosing boundary condition and calculating of loads are introduced, and the results are analyzed.

drillship; boom rest; structural strength; finite element analysis

U674.38+1

A

10.14141/j.31-1981.2017.04.006

王初龍（1985—），男，碩士，助理工程師，研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。