鉆井船生活區模塊整體吊裝有限元分析

周　慶，李風波，向小斌，徐　輝

(1.上海中遠船務工程有限公司，上海 200231；2.大連中遠船務工程有限公司，遼寧 大連 116113)

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鉆井船生活區模塊整體吊裝有限元分析

周慶1，李風波2，向小斌1，徐輝1

(1.上海中遠船務工程有限公司，上海 200231；2.大連中遠船務工程有限公司，遼寧 大連 116113)

為保證對總重近1 500 t的鉆井船生活區模塊整體吊裝順利進行，采用MSC. Patran/Nastran軟件進行有限元分析，計算載荷按照GL-Noble Denton規范選取，計算得到生活區模塊的結構響應，分析中模擬鋼絲繩索具，從而能更準確地計算吊耳的應力和變形，同時還能夠得到浮吊的每個鉤頭的實際載荷，保證單個鉤頭載荷不超載。

生活區模塊；整體吊裝；強度分析；有限元

大型海洋工程船舶和平臺項目的生活區通常采用模塊化的建造方法，以提高預舾裝率和建造進度。近年來隨著船廠吊裝設備能力的提高和吊裝工藝的逐步改進，生活區模塊的整體吊裝在海洋工程建造中的應用越來越廣泛。但由于生活區模塊在結構分類上一般屬于次要結構，結構強度和剛性設計的相對較弱，因此如何檢驗吊裝方案的安全性成為一個關鍵問題。近年來，已有相關的文獻述及應用有限元法對吊裝過程進行數值仿真分析[1-2]。本文依據GL-Noble Denton規范[3]，利用有限元軟件MSC. Patran/Nastran計算校核某鉆井船生活區模塊整體吊裝時的應力和變形，并且在有限元模型中模擬了32根吊索，不但使得吊耳的強度計算更加準確，而且可以計算校核浮吊的每個鉤頭的實際分擔載荷。

1　生活區模塊參數和有限元模型

1.1生活區模塊結構形式

該鉆井船生活區模塊共七層，整個模塊長29.3 m、寬34.0 m、高22.4 m。整個生活區結構均采用普通船用鋼建造，許用應力為235 MPa，其中，吊耳和加強結構采用AH36高強度鋼建造，許用應力為355 MPa，材料密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=206 GPa，泊松比v=0.3，整個模塊的重量重心見表1。

表1　重量重心

1.2吊裝方案設計

對該生活區模塊采用2 000 t浮吊吊裝，該浮吊有4個500 t主鉤，相對應的在模塊上共布置了4組吊點，每組8個吊耳，一共32個吊耳。吊耳布置于生活區艏艉兩側，艏部兩組吊耳以前圍壁的上端為眼板，此處前圍壁的板厚增加到30 mm，加上頰板，吊耳眼板的總厚度達110 mm，艉部兩組吊耳采用D型吊耳，布置在后圍壁上，吊點布置見圖1。

圖1　整體有限元模型及吊點布置

1.3有限元模型

通過MSC. Patran大型有限元計算軟件建立整個生活區模塊的結構有限元模型，整體模型見圖1。甲板、艙壁、縱桁及橫梁的腹板采用板單元，縱桁和橫梁的面板、甲板縱骨及艙壁扶強材等采用梁單元，鋼絲繩用桿單元建模。總體網格尺寸為350 mm×350 mm，即每一縱骨間距2個單元，吊耳附近區域細化網格長、寬均為43.75 mm，細化網格局部模型見圖2。

圖2　顯示板厚的吊耳局部模型

1.4坐標系、邊界條件及載荷工況

坐標系定義：采用右手法則，定義FR0與基線和中線的交點為坐標原點，x軸為沿船長方向，指向船艏為正，y軸為沿船寬方向，指向左舷為正，z方向向上為正。

邊界條件。所有吊點鋼絲繩索具末端約束x,y,z3個方向位移，另外在有限元模型通過理論重心的橫向截面和縱向截面上分別選取2個節點，一個節點位于橫向截面上，約束其縱向位移，另一個節點位于縱向截面上，約束其橫向位移。增加這2個節點約束是為了增加整體模型的約束度，避免計算中出現約束不足的情況，計算結果也顯示這兩個約束節點的支反力都非常小，不會影響整體結構分析的準確性。使用桿單元模擬鋼絲繩索具是為了計算鋼絲繩的拉力，從而計算4鉤頭浮吊每個鉤頭的實際分擔載荷，防止單個鉤頭超載。見圖3。

圖3　邊界條件

載荷工況。計算中載荷就是被吊物的重量，表1中的結構重量由軟件根據模型自動生成，其他分項重量通過質量單元分層施加在生活區模塊各層甲板上。根據GL-Noble Denton規范，吊裝有限元計算需要考慮動態放大、重心偏移、索具偏差等各種載荷修正系數，具體載荷系數見表2。

綜合表2中規范給出的各項載荷系數，生活區模塊結構可分為吊耳結構、吊點支撐結構、其他結構3類，不同分類結構對應不同的載荷系數，其中吊耳結構的載荷系數最大為1.67。對應3種載荷系數，設定了3種計算工況，載荷分別為模塊重量乘以相應的載荷系數，這3種工況分別用于計算校核相應的3類結構，具體見表3[5]。

表2　吊裝載荷系數

表3　載荷工況

2　有限元計算

根據GL-Noble Denton規范，采用許用應力法進行吊裝計算，在考慮吊裝載荷系數情況下，材料系數取為0.75，普通鋼許用應力為176 MPa，AH36高強鋼的許用應力為266 MPa， 計算所得各工況下各個結構部位的最大應力和變形結果見圖4～8所示。

圖4　LC101 生活區模塊整體應力分布

圖5　LC101 生活區模塊整體變形

圖6　LC102吊點支撐結構應力分布

圖7　LC103 艉側吊耳應力分布

圖8　LC103 艏側吊耳應力分布

3　結果分析

整理各工況下各結構部位的最大應力和變形結果見表4，由結果可見，各工況下對應結構應力均未超過GL-Noble Denton規范要求[3]。

表4　最大應力與變形

最大應力173 MPa發生在吊耳眼板上，在吊耳及支撐結構以外其他區域，如圖9所示，最大應力發生B甲板下一處開孔密集的艙壁區域，此處結構根據初次計算結果，經過局部加強處理后，最終的應力結果為159 MPa。

圖9　LC101 吊點區域以外最大應力位置

為了校核4鉤頭浮吊單個鉤頭的載荷，使用桿單元模擬了鋼絲繩，通過計算每組吊點的8根鋼絲繩支反力之和，得到每個鉤頭的實際載荷。

由表2可知，吊裝動荷載系數之和為1.29，對應計算中的LC101工況。單組吊點鋼絲繩支反力結果見圖10，計算得到4組吊點對應的鉤頭載荷見表5，由結果可見，各鉤頭載荷均未超過許用載荷。

表5　LC101鉤頭載荷　kN

圖10　單組吊點鋼絲繩支反力

4　結論

吊裝時高應力一般發生在吊點附近區域的結構上，同時也會出現在結構開口密集的薄弱部位。有限元計算可以提前發現問題并采取加強措施，再經過有限元計算復核，以保證加強后的局部強度滿足吊裝要求。

[1] 李永正，王珂，郭瑋.大型油船上層建筑整體吊裝強度有限元分析[J].科學技術與工程，2012，36(12)：10011-10016.

[2] 王鋒，汪家政.大型船舶上層建筑整體吊裝技術研究及應用[J].造船技術，2011，299(1)：20-22.

[3] GL Noble Denton. Guidelines for marine lifting & lowering operation[S]. 0027/ND Rev10, 22 June 2013.

[4] 楊龍，張少雄.船體結構上層建筑設計計算中邊界條件的處理[J].船海工程，2004(1)：18-20.

[5] 金忠謀.材料力學(I)[M].北京:機械工業出版社,2005(3).

[6] 中國船級社.船體結構強度直接計算指南[S].北京：人民交通出版社，2001.

FE Analysis for the Integral Lifting of Accommodation Module for Drill-ship

ZHOU Qing1, LI Feng-bo2, XIANG Xiao-bin1, XU Hui1

(1.COSCO Shanghai Shipyard Co. Ltd., Shanghai 200231, China; 2.COSCO Dalian Shipyard Co. Ltd., Dalian Liaoning 116113, China)

In order to ensure the safety of the integral lifting operation of the accommodation module for a drill-ship, the structural strength is assessed by FEA in MSC Patran/Nastran software. In the calculation, the designed loads are computed in terms of the rule of GL-Noble Denton, so as to get the structural responses under the lifting condition. The lifting slings are also simulated to accurately calculate the response of lifting pad-eyes, furthermore, the load of each hook of lifting barge can be calculated to avoid overload.

accommodation module; integral lifting; strength analysis; finite element method

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.038

2015-10-23

2015-11-09

周慶(1974-)，男，碩士，工程師

U661.43;U674.38

A

1671-7953(2016)01-0178-04

研究方向:海洋工程結構設計與計算

E-mail:zhouqing@cosco-shipyard.com