半潛式起重平臺上船體整體吊裝有限元強度分析

周貴斌 王樹青 成斌

（煙臺中集來福士海洋工程有限公司 山東 煙臺 264000）

半潛式起重平臺上船體整體吊裝有限元強度分析

周貴斌 王樹青 成斌

（煙臺中集來福士海洋工程有限公司 山東 煙臺 264000）

半潛式起重平臺；有限元分析；整體吊裝；強度

為了保證半潛式平臺上船體在吊裝過程中的安全性，按照DNV相關原則和規定，利用CATIA軟件進行了有限元強度分析。分析結果表明，在靜態和吊裝狀態下，通過對薄弱部位的加強，吊裝的安全性能夠得到保障。

王樹青（1974.07-），男，漢族，碩士，工程師，主要從事機械設計及有限元分析，發動機（活塞）試驗及活塞優化設計等工作。

成斌（1982.03-），男，漢族，助理工程師，主要從事海工行業大型模塊的吊裝模擬及分析等工作。

0 引言

借助于世界上最大的橋式起重機，一種更安全、更高效的建造工藝——“泰山合攏法”被成功應用到了半潛式平臺建造中［1］。這種方法采用上下船體同時分段建造、整體組焊的方式，全部舾裝設備和附屬設備均在陸地上完成安裝，然后由“泰山”橋式起重機完成上下船體的對位合攏。

設計合理的吊裝方案，并對上船體結構進行有限元強度分析是順利實施此工程的關鍵。本文以SSCV半潛式起重平臺上船體為研究對象，利用CATIA軟件的有限元分析（FEA）模塊對其吊裝時的強度進行了分析。

1 平臺基本情況及吊裝方案簡介

1.1 SSCV起重平臺

SSCV是半潛式起重平臺，總起重量3 600 t。其基本參數：平臺總長123.75m、寬81m、高39 m，上船體長81m、寬81m，高9 m，圖1是SSCV半潛式起重平臺模型圖。其中上船體主要包括主體鋼結構模塊，機械設備，電氣設備，管路以及舾裝等，總重量為15 536.8 t，見表1。

1.2 吊裝方案

圖1 SSCV起重平臺模型圖

表1 上船體重量一覽

使用“泰山”橋式起重機的12組分布承載式吊鉤進行本次吊裝作業，每組吊鉤共有16個小吊鉤直接與上船體連接；上船體的兩個橫艙壁FR22和FR38作為吊裝肋位，起重機的起吊點布置在兩個橫艙壁與生活模塊甲板接縫處的吊耳板上，如圖2紅色區域所示；圖3為現場吊耳與吊耳板的連接。

圖2 吊點布置

2 有限元分析

2.1 有限元模型

圖3 吊鉤與上船體的連接

為了便于有限元分析，需要對上船體建筑進行簡化建模，舾裝以及相關的一些設備忽略，通過后面的載荷處理來進行模擬。參考挪威船級社相關規定選取合適的有限元網格尺寸對模型劃分網格，板材采用四節點四邊形板單元；橫梁、縱骨、縱桁等采用梁單元進行模擬。整個模型共有770 123個節點、41 034 504個單元。

2.2 邊界條件

在本次分析中，為了更準確地模擬吊鉤組的實際工作狀況，每組吊鉤用一個剛性彈簧虛擬零件（Rigid Spring Virtual Part）和一個自定義約束（Userdefined Constraint）來模擬，如圖4所示。自定義約束限制約束了3個位移自由度，釋放了3個旋轉自由度。另外，為了避免剛性位移，在平臺底部邊沿施加了2個自定義約束，橫向邊約束橫向位移，縱向邊約束縱向位移。

圖4 有限元模型

2.3 載荷模擬

圖5 邊界條件

通過定義有限元模型中構件單元的材料及密度，CATIA程序可以自動計算船體結構自重。在建立模型的時候沒有包括的大型設備、舾裝等可以根據其實際位置，通過分布力的形式施加到相應的承載甲板上；至于其他的一些小構件，重量相對較小，可以通過調整材料密度大小或者重力加速度的方式予以考慮。在計算前，還需要調整模型的重量、重心，使其與實際結構的重量、重心保持一致［2］。

另外，對于此類起吊作業，根據DNV的相關規定和原則［4］，應該將偏心系數引入到分析過程中，其定義式如下：

其中，γdesign是設計因數,γf是載荷因數，γc偏心因數。通過在設置密度或者及施加載荷的時候，將相應的數值大小放大1.69倍來實現。

3 分析結果

3.1 許用應力

整座平臺主體結構均采用AH36、DH36或者更高級別的高強度船用鋼鐵材料，其許用應力不小于355 MPa，參照ULS屈服應力檢測規定，還應當取1.15作為材料系數［3］。因此，在本次分析中，鋼鐵材料許用應力取355/1.15=308 MPa。

3.2 吊裝過程中上船體的受力及變形分析

圖6為起吊過程中上船體的整體應力分布云圖；另外，還著重考察了吊裝肋位FR22和FR38兩個艙壁的受力分布情況，如圖7所示。圖8為上船體整體變形分布云圖。

3.3 各組吊耳的支反力計算

圖6 上船體整體應力分布云圖

圖7 吊裝肋位橫艙壁應力分布云圖

圖8 上船體整體變形分布云圖

通過CATIA軟件求解模塊中自帶的虛擬傳感器，還可以求出每個圓錐鉸約束的支反力，這個數值與每組吊耳的拉力相當，見表2。

表2 每組吊鉤支反力一覽

4 結論和建議

（1）計算結果顯示，上船體最大應力值為302MPa，小于材料的許用應力308MPa。由此可以判斷，我們的吊裝設計方案以及局部加強設計符合DNV起吊安全作業要求；

（2）對于整個結構應力值或者變形較大的區域，特別是與吊耳連接最直接的FR22和FR38兩個艙壁，在吊裝工程實施時，質檢人員應當有針對性地進行關注和檢查；

（3）從支反力的計算結果可以看出，每組吊鉤的載荷未超過其額定載荷1 680 t；總的支反力與上船體的實際重量幾乎相等，驗證了我們載荷模擬的精確性；在起吊過程中，吊耳的預加載荷、實時載荷以及最終的靜止載荷可參照計算值設置和調整；

（4）對于泰山合攏法，分布式承載吊鉤的布置以及多達384個吊點的連接，可以最大限度的使吊點附近區域受力均勻，不必增加過多的加強結構。本次工程中，我們除了在吊裝肋位兩端適當做了延伸裝置外，僅對吊裝肋位相鄰艙壁上的個別開孔進行了封堵加強。

［1］周貴斌，李天俠，未俊豐.泰山合攏法工藝在半潛式平臺建造中的應用［J］.上海造船，2010（3）：59-62.

［2］張延昌，王自力，羅廣恩等.船舶上層建筑整體吊裝強度有限元分析［J］.船舶工程，2006（3）：62-65.

［3］Rules for Planning and Execution of Marine Operations［S］.挪威船級社（DNV）.1996.

FEA of the integral lifting intensity for the upper hull of the semi-submersible crane platform

Zhou Guibin Wang Shuqing Cheng bin

semi-submersible crane platform；Finite Element Analysis（FEA）；Integral Lifting；Intensity

To make sure the security of the upper hull of the semi-submersible crane platform during the lifting process，a finite element analysis is carried out by CATIA in accordance with the DNV rules and regulations.The analysis shows that the security of lifting could be ensured by strengthening the weak area under the static and lifting conditions.

U671.91

A

1001-9855（2011）01-0054-04

2010-11-23

周貴斌（1979.06-），男，漢族，碩士，工程師，主要從事機械設計以及有限元分析、制冷空調設備開發設計等工作。