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(zhèn)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(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略資源寶庫，海洋運輸及海洋工程輔助用船的高質量發(fā)展及技術創(chuàng)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(yè)時發(fā)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(yè)放置拖航工況和作業(yè)吊裝工況，改造船尾門架系統(tǒng)。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(tǒng)布置

某鋪管船船尾的門架系統(tǒng)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(yè)。門架系統(tǒng)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(qū)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(yè)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(guī)范》(2007)(以下簡稱《船起規(guī)范》)規(guī)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(guī)范》3.2.2規(guī)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(huán)境的影響。

由于鋪管船長度小于4倍的船寬，根據《船起規(guī)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(guī)范》，門架屬于浮式起重機，取作業(yè)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(yè)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(yè)的集中度符合行業(yè)發(fā)展的規(guī)律，也符合國家轉型升級的戰(zhàn)略發(fā)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(yè)、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(yè)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(guī)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(tǒng)結構，對鋪管船在各作業(yè)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(yōu)化門架系統(tǒng)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。