半潛起重鋪管船關鍵連接節點設計對比分析

周 佳 鐘 晨 鐘文軍

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011；2.海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

引 言

大型自航半潛式起重鋪管工程船，可在無限航區航行，并可在滿足作業環境條件的海區進行海洋工程的吊裝、鋪管等作業。其作業時不但遭受波浪載荷作用，同時還承受較大的起重作業載荷，受力情況十分復雜，對船體總強度要求也相當高，因而很有必要在船體結構設計階段進行結構總強度和局部強度評估，這是船體結構設計的關鍵。本文在全船波浪載荷預報、全船總強度分析的基礎上，對結構關鍵節點——立柱與上船體連接處進行細化模型分析和疲勞壽命計算，介紹分析過程和計算結果。

1 船型簡介

該船是一艘鋼質、全電焊半潛型起重鋪管工程船。主船體由左右2個流線型的下浮體，4對立柱和橫撐以及箱型上平臺構成，參見下頁圖1。

本船的主要尺度及參數如下：

圖1 半潛起重鋪管船側視圖

該船主要由沉沒于水下的下浮體和立柱提供浮力，同時僅由立柱提供有限的水線面面積，因此保證了在極端惡劣海況下的平臺運動性能。此外，作業設備和工作平面設置于箱型的上船體，由于遠離水面，故不易直接受海水波浪載荷影響。

然而，因半潛式起重鋪管船的整體結構存在大量的幾何突變，在波浪環境中受力復雜，尤其是立柱和上平臺連接區域，起著承上啟下的重要作用［1］。為了保證結構的安全，本文將對該處兩種不同連接型式進行詳細分析，對比兩者在強度、疲勞和施工建造等方面的優劣，相關結論可供設計者參考。

2 結構對比分析基礎

全船總強度結構模型為空間板梁組合模型。模型整體上采用粗網格單元，網格尺度取為2倍肋距。外板、艙壁板、甲板板，強框腹板采用殼單元，強框面板、縱骨、艙壁扶強材采用梁單元，設備、壓載水、吊重等采用質量單元。總體模型約32萬個單元，17萬個節點，參見圖2。

圖2 全船有限元模型

根據3種工況不同的裝載狀況、吃水、質量分布和海況分別建模進行計算。其中，作業工況需要考慮起重時的外載荷最大，波浪工況只需要計算一年一遇即可，航行工況需要計算20年一遇的波浪載荷，生存工況則需要考慮目標海域百年一遇的波浪載荷。根據工程實踐經驗，半潛式起重鋪管船的危險波浪工況包括［2-5］：

（1）最大橫向分離力狀態；

（2）最大扭轉狀態；

（3）最大縱向剪力狀態；

（4）最大縱向加速度狀態；

（5）最大橫向加速度狀態；

（6）最大垂向彎矩狀態；

（7）最大垂向剪力狀態。

通過分析該船作業、航行與生存載況以及不同典型危險波浪工況的總強度，選取最危險的2號立柱與上平臺連接區域進行不同連接形式的結構分析比較。

3 關鍵區域計算比較分析

3.1 連接形式說明

結合工程應用經驗和本船的實際情況，對立柱外板與上平臺連接區域采用圓弧連接和折角連接兩種形式分別進行分析和對比，探討其適用性和各自的優缺點。對兩種型式分別建立細網格模型（見下頁圖3和圖4），細化區域網格大小近似取為板厚×板厚，細化范圍參考規范要求適當擴大。

3.2 強度分析與比較

圖3 轉圓連接型式的細網格有限元模型

圖4 折角連接型式的細網格有限元模型

在全船總強度分析的基礎上，篩選出立柱和上平臺連接的控制工況為航行工況的最大橫向加速度時最為危險。采用子模型技術，將總強度載荷通過邊界傳遞到細化模型上，對該連接局部進行細化分析和考察。細化分析所得應力云圖見圖5-圖8。

圖5 立柱與上平臺連接處縱橫艙壁和立柱外板的應力云圖（轉圓連接型式）

圖6 立柱與上平臺連接處內底板和內底內結構的應力云圖（轉圓連接型式）

圖7 立柱與上平臺連接處縱橫艙壁和立柱外板的應力云圖（折角連接型式）

圖8 立柱與上平臺連接處內底板和內底內結構的應力云圖（折角接型式）

比較應力云圖可以看出：兩種方案的最大應力相差不大，均可以滿足規范要求的許用應力標準。轉圓連接型式最大應力為376 MPa，出現在圓角和縱橫艙壁相切處；折角連接型式最大應力為372 MPa，出現在肘板趾端。為滿足規范的強度要求，折角連接型式在高應力區域所需設計板厚要比轉圓連接型式高出不少，最大應力出現的為位置板厚（40 mm，AH36）要大大超過轉圓連接（30 mm，AH36），但是轉圓連接型式的應力集中問題對板厚變化不太敏感，如果應力進一步增大，很難通過增加板厚來解決。相對而言，折角連接型式只需要增大肘板尺度即可有效降低高應力區域的應力水平。

在轉圓連接方案中，最大應力出現在轉圓和縱橫艙壁連接的相切處，局部應力變化較大，有限元計算結果可能會有較大誤差；同時該處高應力點施工建造不易處理，建造誤差可能進一步導致局部應力水平升高。而在折角連接方案里，最大應力出現在肘板趾端，可以通過改變肘板設計參數進行設計優化，同時建造施工也較轉圓型更容易實施。

綜上所述，兩種連接型式均可滿足規范的強度設計要求。從設計代價而言，轉圓型式更為經濟，從適應性和施工便利而言，折角型式更佳。推薦采用折角型式的連接。

3.3 疲勞分析與比較

根據CCS《船體結構疲勞強度指南》的要求，采用簡化方法對設計波進行折算，便可得到較為保守的結果［6-8］。使用疲勞累積損傷法對兩種連接型式共計6處熱點（疲勞熱點分析位置如圖9和圖10所示）進行疲勞強度計算，所得結果如表1所示。

圖9 立柱與上平臺連接處疲勞熱點選取（轉圓連接型式）

圖10 立柱與上平臺連接處疲勞熱點選取（折角連接型式）

從表1所列的計算結果可見，采用折角連接型式時，C、D、E、F 4處熱點疲勞壽命明顯高于采用轉圓連接型式時A、B兩處的疲勞壽命，而且相對轉圓連接型式而言，折角連接型式明顯更便于檢驗和維護。因此，在疲勞強度方面，折角連接型式比轉圓連接型式更具優勢。

表1 不同熱點疲勞壽命計算結果

4 結 論

通過對半潛起重鋪管船關鍵連接節點——立柱與上平臺連接節點的細化分析，比較了轉圓連接型式和折角連接型式兩種結構型式在結構強度和疲勞壽命以及施工、檢驗方面的優缺點，綜合比較后，最終推薦采用折角型的連接型式。本文所述內容、方法與結論可供相關設計人員參考。

［1］ 蔣彩霞，劉俊杰，胡嘉駿.深水半潛平臺關鍵部位強度特性研究［C］.紀念徐秉漢院士船舶與海洋結構力學學術會議論文集，2011：55-60.

［2］ 董寶輝，高定全，羊字軍，等.半潛式平臺整體強度分析［J］.中國造船，2012（11）：211-216.

［3］ 馮國慶，任惠龍，李輝，等.基于直接計算的半潛式平臺結構總強度評估［J］.2009（3）：255-261.

［4］ DNV.Wave Analysis by Diffraction and Morison Theory［M］.Sesam User’s Manual, Det Norske Veritas, 2006.

［5］ DNV.Postprocessor for General Response Statistics ［M］.Sesam User’s Manual, Det Norske Veritas, 2006.

［6］ 楊鵬，顧學康.半潛平臺結構疲勞壽命評估方法比較［J］.艦船科學技術，2012（8）：112-118

［7］ 楊鵬，顧學康.半潛平臺疲勞波浪載荷的不確定性研究［J］.船舶力學，2012（11）：1274-1282.

［8］ 梁瑜.基于譜分析的半潛平臺疲勞強度研究［J］.船海工程，2012（2）：77-80.