鉆井船60 t格子吊吊臂托架結構強度有限元分析

王初龍

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

鉆井船60 t格子吊吊臂托架結構強度有限元分析

王初龍

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

利用有限元軟件MSC.Patran&Nastran，對某鉆井船尾部60 t格子吊吊臂托架結構強度進行了有限元分析，介紹了有限元分析模型的建立、邊界的設立以及載荷的計算選取，并對計算結果進行了分析。

鉆井船；吊臂托架；結構強度；有限元分析

0 引言

隨著對海洋資源勘探與開發的深入，作為勘探重要設備的鉆井船，其作業水深逐步增加，適應海況也逐步擴大。因此，船用起吊設備承擔的任務越來越重，作業半徑也相應增大。由于船上設備布置極為緊湊，為了防止與其他設備發生碰撞，通常吊機都設計得較高。在這種情況下，用于存儲吊臂的托架也同樣設計得較為高大。由于船舶在波浪中運動時，隨著垂向高度值的增加，運動加速度也相應變大，這就要求在惡劣的海況下托架有足夠的強度來存放吊臂。

本文根據ABS船級社《Mobile Offshore Drilling Unit 2012》[1]和《Rules for Building and Classing Steel Vessels 2012》[2]的有關要求，采用通用有限元分析軟件MSC.Patran&Nastran[3]，對該某鉆井船尾部60 t格子吊吊臂托架結構進行了結構屈服強度分析。

1 概況

格子吊在存放時，吊臂朝艏沿船長方向水平放置在托架上部的凹槽中。格子吊及托架布置示意圖及吊臂存放截面示意圖1和圖2所示。

格子吊主要尺度：起吊重量為 60 t；總重為～147.5 t；吊臂及鉤頭、繩索等為～46.5 t。

托架尺寸為：總長為4.33 m；總寬為3.82 m；總高為14.84 m。

2 有限元模型

2.1 模型的建立

根據規范要求[1]，采用局部立體結構模型時，以托架有效作用平面矩形（a×b）形心為中心，向四周分別擴展至少一倍的該矩形相對應的長、寬距離（3a×3b）。垂向從托架底面擴展至甲板之下的第一個平臺甲板或至少D/4處（D為型深）。如按上述方法框取的模型邊界上未設置結構的主要支撐構件，則模型應再延伸至邊界落在結構的主要支撐構件上。

總體坐標系取右手直角坐標系，其中，x軸：沿船長方向，向艏為正；y軸：沿船寬方向，左舷為正；z軸：沿型深方向，向上為正。

考慮到局部分析且該區域應力較高，本模型網格板單元盡量采用正方形，網格大小取1/4骨材間距，為 175 mm×175 mm；各構件適用單元類型[3]如下：

1）板單元：甲板、艙壁、托架與甲板連接處結構（包括管子和肘板）、托架上部凹槽結構、其余肘板、扶強材及垂直桁的腹板。

2）梁單元：托架其余構件。

3）桿單元：扶強材及垂直桁面板。

4）在托架結構中，梁單元與板單元之間采用多點約束單元（MPC）來進行過渡。

有限元模型如圖3所示。

2.2 邊界條件

甲板與艙壁的邊界處采用簡支，即δx=δy=δz=0。

2.3 材料屬性及力學性能

本模型中船體結構以及托架中所有板材均為高強剛HT36，而托架中選用的管材均為API5L X52，其主要屬性及力學性能參數如表1所示[2]。

表1 材料屬性及力學性能

在實際建模時，考慮到托架上的舾裝結構不影響結構強度而被省略，因此，質量密度可以放大1.1倍，即8.635×10-6kg/mm3。

2.4 載荷及工況

本托架所承受的載荷主要為：

1）吊臂傳遞的載荷，包括由船舶運動加速度引

起的慣性力、重力及風載荷；

2）托架自重；

3）托架自身由于船舶運動加速度引起的慣性力；

4）托架自身承受的風荷。

除托架所受載荷以外，船體結構甲板上還存在甲板載荷，也應計入分析。

2.4.1 吊臂傳遞的載荷

根據設備商提供資料，在考慮運動加速度、風力、自重及托架支撐位置等因素的情況下，吊臂傳遞給托架各個方向的載荷最大值如表2所示。

表2 吊臂傳遞載荷

2.4.2 托架自重

本模型中，自重采用慣性載荷施加方法，取模型整體重力加速度為9.81 m/s2。

2.4.3 托架慣性載荷

還去大連？你是不是還想著付玉？我怕你再和付玉攪合在一塊兒，這個女人可不是個好東西，你讓她害的還不夠？可別鬼迷心竅。再說，你爹娘是在大連出的事，咱要去那兒，不是心里不舒服嗎？

各方向慣性載荷的計算可根據規范進行計算，或者依據設備商提供的吊臂所受慣性載荷資料進行選取。為保守起見，取兩者中大值進行分析。規范計算值和設備商提供值如表3所示。

表3 慣性加速度

2.4.4 托架風載荷

根據規范要求[1]，托架所承受風載荷根據下式進行計算：

式中，f為0.611；Vk為風速度，取51.5 m/s；Ch為高度系數，取1.1；Cs為高度系數，取1.5。

根據以上參數，并計及托架x向和y向的受風面積（Ax,Ay），托架所受風載如表4所示。

2.4.5 甲板載荷

根據該船技術規格書，該區域甲板載荷為5 t/m2。

2.4.6 工況設置

根據以上載荷，選擇表5中四種組合工況進行計算。

表4 托架風載荷

表5 計算工況

3 計算結果及分析

3.1 許用應力

根據規范要求[1]，動載工況下，各構件的屈服強度許用應力按式(2)計算。

式中，σs為材料屈服強度，MPa；n為安全系數。板單元Von Mises應力取1.1，剪應力取1.88；梁/桿單元應力（桿單元為軸向應力，梁單元為組合應力）取1.25。

則各材料的許用應力見表6。

3.2 計算結果及分析

經計算整理，各工況下托架及船體結構的應力結果匯總如表7和表8所示。

表6 許用應力（單位：MPa）

表7 船體結構應力匯總（單位：MPa）

各工況下托架及船體結構的應力云圖見圖 4～圖10。

表8 托架結構應力匯總（單位：MPa）

從應力結果可以看出，船體結構和托架本身均滿足規范屈服強度的要求，且有一定余量。

對于托架下面的船體結構，無論是板單元還是梁單元，高應力區域都集中在托架支柱下方和邊界處。對于邊界處的高應力，符合圣維南原理，實際情況中，邊界為艙壁或強構件，實際應力要小于計算值；對于托架支柱下方的甲板結構，由于圓形結構不能與之很好對位，所以為避免應力集中，需要支柱四周有足夠臂長和厚度的肘板來降低應力集中的影響。

對于托架結構而言，應力較高的地方主要是凹槽側面圍板根部、支柱與凹槽連接處，下端肘板與支柱連接處，以及最上面的水平連桿，這主要是由于托架較高且吊臂水平傳遞載荷較大的緣故。這些應力較高點可以通過增加肘板或加大肘板的形式來減小應力幅值。

4 結論

根據規范對鉆井船60 t格子吊吊臂托架進行了有限元強度分析，得到了工況下托架結構在組合載荷下的工作應力，由結果可知該托架滿足強度要求，并通過應力云圖對該結構的高應力區域進行了分析。

[1]劉兵山, 黃聰.Patran從入門到精通[M].北京: 中國水利水電出版社, 2003.

[2]ABS.Mobile Offshore Drilling Unit 2012[S].2012.

[3]ABS.Rules for Building and Classing Steel Vessels[S].2012.

Finite Element Analysis of Boom Rest Structural Strength of 60 t Lattice Boom Crane for Drillship

WANG Chulong
(COSCO Shanghai Shipyard Co., Ltd., Shanghai 200231, China)

Finite element analysis of boom rest structural strength for drillship 60 t lattice boom crane is carried out by MSC.Patran&Nastran.Establishing FE model, choosing boundary condition and calculating of loads are introduced, and the results are analyzed.

drillship; boom rest; structural strength; finite element analysis

U674.38+1

A

10.14141/j.31-1981.2017.04.006

王初龍（1985—），男，碩士，助理工程師，研究方向：船舶與海洋工程結構設計與分析。