武漢第二船舶設(shè)計研究所 武漢 430070

1 研究背景

單點系泊系統(tǒng)是一種特殊的海洋工程裝備，主要作用是通過纜繩或特定結(jié)構(gòu)將浮體系泊在一定的海域，同時使浮體可以繞系泊點作360°回轉(zhuǎn)，并且可以將浮體的油、氣、水和電信號等輸入海底管線，或?qū)⒑５坠芫€的信號輸送至浮體［1-2］。旋轉(zhuǎn)塔臺是單點系泊系統(tǒng)連接固定結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，它承載著被系泊裝置在風(fēng)浪流等狀況下通過系泊剛臂傳遞的載荷，還能繞導(dǎo)管架中心旋轉(zhuǎn)。

旋轉(zhuǎn)塔臺總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要組成部分包括軸承座、主立柱、旋轉(zhuǎn)甲板及吊機安裝座等。在單點系泊系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)甲板是重要的受力部件，其中系泊頭掛鉤由于受到交變載荷的作用，極有可能發(fā)生疲勞損壞，所以對旋轉(zhuǎn)甲板進行強度分析很有必要，這有利于對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化處理［3-4］。筆者通過簡化模型分析旋轉(zhuǎn)甲板的受力情況。

2 旋轉(zhuǎn)甲板模型

對旋轉(zhuǎn)甲板建模，導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件進行計算分析［5］。當(dāng)旋轉(zhuǎn)甲板所受系泊力最大值時，校核旋轉(zhuǎn)甲板結(jié)構(gòu)相應(yīng)的強度。為了便于計算分析，對模型進行簡化，將支座內(nèi)圈與轉(zhuǎn)盤軸承的連接簡化為固定接觸。結(jié)構(gòu)材料彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

由于旋轉(zhuǎn)甲板的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，應(yīng)用ANSYS Workbench軟件Static Structural模塊進行受力分析，校核結(jié)構(gòu)強度。旋轉(zhuǎn)甲板網(wǎng)格劃分模型如圖2所示，其中，有限元模型采用實體單元來劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格由四面體與六面體構(gòu)成，不帶銷軸和壓蓋時，模型共有279 103個節(jié)點、80 009個單元，帶銷軸和壓蓋時，模型共有312 927個節(jié)點、98 929個單元。

3 模型加載

旋轉(zhuǎn)甲板主要承受軟管甲板的質(zhì)量，并通過四根立柱傳遞到旋轉(zhuǎn)塔臺，作用在相應(yīng)的環(huán)形孔面上。每根立柱承受力為250 kN，吊機安裝座的重力約為300 kN，另外額外承受橫向和縱向系泊力分別為3 000 kN和1 750 kN，作用在系泊頭掛鉤處。旋轉(zhuǎn)甲板整體與桁架主軸焊接在一起，對旋轉(zhuǎn)甲板下端環(huán)形面進行固定，作為變形的參考，掛鉤處以軸承載荷進行加載。

▲圖1 旋轉(zhuǎn)塔臺總體結(jié)構(gòu)

▲圖2 旋轉(zhuǎn)甲板網(wǎng)格劃分模型

4 強度分析

4.1 不帶壓蓋和銷軸

通過求解計算，在極端海況下，旋轉(zhuǎn)甲板不帶壓蓋和銷軸時變形量和應(yīng)力分布如圖3所示，相應(yīng)的掛鉤局部變形量和應(yīng)力分布如圖4所示［6］。

由圖3和圖4可知，旋轉(zhuǎn)甲板的最大變形量達到2.36 mm，完全在鋼結(jié)構(gòu)件可承受的范圍之內(nèi)（<5.5 mm）［7-8］。由系泊力產(chǎn)生的軸承載荷在掛鉤處的應(yīng)力為100 MPa左右，最大應(yīng)力出現(xiàn)在掛鉤與中心筒體焊接的部位，達到268 MPa，小于相應(yīng)的材料屈服強度的許用應(yīng)力（384 MPa）［9］，所以旋轉(zhuǎn)甲板整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的。

▲圖3 旋轉(zhuǎn)甲板不帶壓蓋和銷軸時強度分析

▲圖4 旋轉(zhuǎn)甲板不帶壓蓋和銷軸時掛鉤局部強度分析

4.2 帶壓蓋和銷軸

通過求解計算，在極端海況下，旋轉(zhuǎn)甲板帶壓蓋和銷軸時變形量和應(yīng)力分布如圖5所示，相應(yīng)的掛鉤局部變形量和應(yīng)力分布如圖6所示。

由圖5和圖6可知，旋轉(zhuǎn)甲板的最大變形量達到1.66 mm，相比于不帶壓蓋和銷軸時的變形量要?。?0-11］。由系泊力產(chǎn)生的軸承載荷在掛鉤處的應(yīng)力為100 MPa左右，最大應(yīng)力也出現(xiàn)在掛鉤與中心筒體焊接的部位，達到 255 MPa，小于規(guī)范中的規(guī)定值［12］。

▲圖5 旋轉(zhuǎn)甲板帶壓蓋和銷軸時強度分析

▲圖6 旋轉(zhuǎn)甲板帶壓蓋和銷軸時掛鉤局部強度分析

5 結(jié)論

通過對旋轉(zhuǎn)甲板計算結(jié)果進行分析，可知旋轉(zhuǎn)甲板整體受力比較合理。帶銷軸和壓蓋時，旋轉(zhuǎn)甲板的最大變形量比不帶銷軸和壓蓋時的最大變形量要小0.7 mm，掛鉤處的應(yīng)力分布基本相同，均在100 MPa左右，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在掛鉤與中心筒體焊接的部位，且均小于相應(yīng)的材料屈服強度（384 MPa）。綜合上述情況分析可知，帶銷軸和壓蓋的旋轉(zhuǎn)甲板整體受力較不帶銷軸和壓蓋的情況要好，結(jié)構(gòu)設(shè)計在合理范圍內(nèi)，這有利于旋轉(zhuǎn)塔臺結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化設(shè)計。