利用SPMT進行模塊裝船的穩定性及結構分析

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(惠生海洋工程有限公司，上海 201210)

利用SPMT進行模塊裝船的穩定性及結構分析

李學華，李翠東

(惠生海洋工程有限公司，上海 201210)

以典型模塊通過自行式模塊運輸車(SPMT)裝船過程為研究對象，通過將液壓系統簡化為3點等效支撐，計算SPMT在模塊發生重心偏移前后的穩定性，考慮模塊及SPMT實際剛度并利用SACS軟件將墊墩模擬為僅可承受軸向壓縮的GAP單元，計算SPMT及模塊的整體結構響應。結果表明，模塊重心變化對SPMT穩定性影響顯著，利用SACS軟件可以模擬模塊裝船過程的整體結構響應，裝船過程中的模塊和SPMT變形對結構完整性有重要影響。

自行式模塊運輸車；模塊；裝船；穩定性；結構響應

自行式模塊運輸車(self-propelled modular transporter，SPMT)憑借其組合靈活性、運輸便捷性，在模塊由制造場轉運至運輸船的裝船過程中得到了越來越廣泛的運用[1]。模塊EPC承包商對于利用SPMT進行模塊裝船作業多采用分包的方式，由專業分包商提供解決方案，承包商只根據分包商要求作好輔助工作。分包產生新的工作界面無疑會增加協調工作，分包商參與靠后也會限制設計的靈活性，減少企業的話語權。獨立完成利用SPMT進行模塊裝船分析對于提高企業產品設計能力和競爭能力具有重要意義。

目前所見相關文獻多是對運用SPMT進行大件運輸的工法描述[2-3]，配載計算[4]和忽略貨物剛度時SPMT自身裝載能力的分析[5-6]，未見利用SPMT進行模塊裝船的穩定性及結構分析報道。為此，選取典型模塊，探討模塊重心變化對SPMT穩定性的影響，考慮模塊及SPMT實際剛度并利用SACS軟件模擬計算裝船過程中的整體結構響應。

1 SPMT應用思路

所述SPMT 運輸系統包括6軸線模塊平臺車與動力單元2大部分。平臺車主梁截面為梯形，橫向分布懸掛安裝橫梁和邊縱梁。平臺車配備液壓管路和快速接頭，以便與其他平臺車進行拼接。平臺車中每個軸線由2個擺式輪軸組成，每個擺式輪軸都有獨立的液壓懸掛。通過控制液壓系統實現平臺車起升、下降(1 500±300 mm)，完成運動至貨物下方并裝載貨物，或者卸載貨物并從貨物下方撤出等動作。

平臺車懸掛上的支撐液壓缸由管路和軟管相互連接并使用閥門對液壓缸進行液壓分組，每組為一個獨立回路[7]。通過控制每個軸線液壓回路之間的閥門，可以確保在多臺平臺車拼接的情況下，也可以靈活地對液壓系統進行分組。即使在不平坦道路上行駛，也可以利用回路中壓力平衡自動調節每個輪軸的液壓缸高度來適應地面，保持均勻的軸線載荷。

在更換輪胎或者單軸損壞的情況下，通過手動操作閥門來鎖死或將單軸從整個液壓系統中分離出來。液壓支撐和升降系統具有單回路安全系統，以確保在某個升降管路破損的情況下，整個平臺車不會發生傾斜。

2 穩定性分析

整體布置主要考慮SPMT的穩定性，包括防側翻和防過載2個方面[8]。選取典型模塊為鋼質桁架結構，重約1 800 t，為設備、管系、平臺和梯道提供支撐，SPMT單個軸線有效載荷30 t/自重4 t/軸距1.4 m。計劃使用4列×30共120軸線運輸，并將液壓系統分為3個分組，布置見圖1。

由于模塊重量信息并非最后準確結果，考慮設計余量和SPMT設計允許最大爬坡角度，得到模塊重心位置包絡線如圖1中A-B-C-D-A所示。

圖1 模塊重心包絡線和SPMT布置示意

由于每個液壓分組中各軸線載荷相同，故將不同液壓分組的支撐等同于形心位置處的單點支撐。當模塊重心位置豎向投影越過3個液壓分組等效單點支撐圍成的三角形區域時，則發生傾覆。當模塊重心位置豎向投影處在3個液壓分組等效單點支撐圍成的三角形區域內時，則不會發生傾覆，此時只需要考慮由于重心偏移導致軸線載荷是否過載的問題。假設不同液壓分組等效支撐力分別Ri，則有

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對應不同重心位置的單個軸線載荷計算結果見表1。

表1 SPMT單個軸線載荷 kN

由表1可見，雖然不同重心處軸線載荷的最大利用率都不超過1，即不發生過載，但重心偏移后的最大軸線載荷相比無偏移時增加顯著。

3 結構分析

文獻[5-6]中對于SPMT運輸貨物的分析是忽略貨物剛度，并根據支架數量將貨物重量平均分配至支架位置處進行SPMT裝載校核。這種簡化方法適用于利用SPMT運輸貨物的基本設計階段SPMT布置方案評估，但并不適用于模塊裝船詳細設計中對模塊結構完整性的校核，也沒有考慮貨物和SPMT變形對力傳遞的影響。

考慮模塊和SPMT實際剛度時的整體結構模型見圖2。

圖2 SPMT運輸模塊3D模型

利用SACS軟件模擬模塊主要結構和SPMT主梁結構，設備、管系、平臺梯道，以及次要結構的重量通過點、線和面質量施加，以保證模型中模塊重心位置和重量報告中估算重心位置一致。重心偏移則通過力的平移原理施加力偶模擬。

在實際工程中，墊墩坐落于SPMT主梁上并支撐模塊運輸橫梁。在計算結構模型中，墊墩由只能承受軸向壓力的GAP單元模擬。模塊自重由SACS軟件自動生成，SPMT自重和地面支撐通過均勻線載荷施加于SPMT主梁上。為避免剛度矩陣奇異，在模塊頂部邊緣施加2個水平方向的彈簧，在模塊重心于各列SPMT投影處施加3個水平方向彈簧作為位移邊界條件。

當重心偏移至不同位置時，計算得到的SPMT剪力彎矩圖見圖3(限于篇幅，僅列出重心無偏移和重心偏移至D處第2列SPMT結果)。根據參考文獻[5-6]中簡化方法計算得到的SPMT剪力彎矩見圖4。

圖3 整體模擬所得剪力和彎矩

圖4 簡化假設所得剪力和彎矩

當重心偏移至不同位置時，2種計算模型中第2列SPMT主梁中的最大彎矩計算結果見表2。

表2 2種計算模型第2列中最大彎矩結果對比

造成2者之間較大差別的原因在于考慮模塊結構和SPMT實際剛度及變形時，不同列SPMT和同列SPMT不同墊墩處分配到的模塊重量并非均勻分布。模塊沿SPMT方向前后2端由于結構突變導致結構剛度變小，整體發生2端上翹變形呈碗狀，分配到不同墊墩上的力呈現中間大2頭小的趨勢。

當重心偏移至不同位置時，校核結果顯示應力較大(UC>0.88)構件位置如圖5中粗線所示。

圖5 模塊構件校核結果

由圖5可見，應力較大構件主要位于運輸橫梁剖面的立柱位置和模塊最低層平面，造成這種情形的原因在于模塊重量主要通過立柱傳遞至最低層平面中的運輸橫梁，而SPMT在不同跨立柱之間的運輸橫梁下方居中布置并通過墊墩支撐運輸橫梁。當SPMT升起后運輸橫梁呈懸臂狀態，導致立柱下垂并在與運輸橫梁相交處產生較大彎矩。

4 結論

1)穩定性校核時，應充分考慮模塊后續設計修改及路況不平時引起的重心偏移，保證重心包絡線處在不同液壓分組確定的穩定性區域內，并防止由于重心偏移導致局部軸線載荷過載。

2)通過SACS軟件可以實現利用SPMT進行模塊裝船過程的分析，其中墊墩模擬為只承受軸向壓力的GAP單元，各列SPMT可模擬為連續梁并承受不同液壓分組區域內的液壓缸均布載荷支撐。在重心位置附近施加彈簧約束以減輕邊界條件影響并避免剛度矩陣奇異。

3)模塊和SPMT主梁剛度及變形對力傳遞具有重要影響，為校核模塊運輸過程中的結構完整性，必須對SPMT和模塊做整體分析，以準確模擬力傳遞變化對結果的影響。

4)為避免所述立柱失效，可以考慮留足操作空間后將SPMT靠近立柱平面布置，降低立柱下垂誘發的彎矩。

5)雖然SPMT運輸過程中速度平穩，可以作為靜力狀態考慮，但由于模塊重量大，如何考慮運輸過程中起動及剎車時的慣性力,需要進一步分析。

[1] 楊懷東,李大浪,王建群,等.冶金礦山工廠模塊化運輸方式探討[J].銅業工程,2013(5):51-54.

[2] 魏笑科,羅興民.大型構件滾裝上駁船方案探討[J].廣東造船,2014(4):81-83.

[3] 伍彥均.大型設備船到船滾裝技術研究與應用[J].起重運輸機械,2015(9):80-83.

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Stability and Structure Analysis of Module Load-out Process with SPMT

LIXue-hua,LICui-dong

(Wison Offshore & Marine Company, Shanghai 201210, China)

The typical module load-out process with SPMT (self-propelled modular transporter) was researched. Through simplifying hydraulic jack-up system as equivalent tri-point support, the SPMT’s stability was calculated with and without module center of gravity offset. With actual stiffness of module and SPMT considered and cushion blocks simulated as only-compression GAP elements in SACS package, the global structure response including SPMT and module was calculated. The results showed that effects of module center of gravity shift on SPMT’s stability are prominent, SACS package is capable of simulating the global structure response in module load-out process, deflection of module and SPMT presents significant effects on structure integrity during load-out.

SPMT; module; load-out; stability; structure response

U674.38;U661.4

A

1671-7953(2017)05-0001-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.002

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.001

2016-11-15

修回日期：2016-11-28

李學華(1987—)，男，碩士，工程師

研究方向：平臺上部組塊和工廠模塊的結構設計