單點系泊系統旋轉甲板的強度分析*

武漢第二船舶設計研究所 武漢 430070

1 研究背景

單點系泊系統是一種特殊的海洋工程裝備，主要作用是通過纜繩或特定結構將浮體系泊在一定的海域，同時使浮體可以繞系泊點作360°回轉，并且可以將浮體的油、氣、水和電信號等輸入海底管線，或將海底管線的信號輸送至浮體［1-2］。旋轉塔臺是單點系泊系統連接固定結構和旋轉結構的關鍵部件，它承載著被系泊裝置在風浪流等狀況下通過系泊剛臂傳遞的載荷，還能繞導管架中心旋轉。

旋轉塔臺總體結構如圖1所示，主要組成部分包括軸承座、主立柱、旋轉甲板及吊機安裝座等。在單點系泊系統中，旋轉甲板是重要的受力部件，其中系泊頭掛鉤由于受到交變載荷的作用，極有可能發生疲勞損壞，所以對旋轉甲板進行強度分析很有必要，這有利于對其結構進行優化處理［3-4］。筆者通過簡化模型分析旋轉甲板的受力情況。

2 旋轉甲板模型

對旋轉甲板建模，導入ANSYS Workbench軟件進行計算分析［5］。當旋轉甲板所受系泊力最大值時，校核旋轉甲板結構相應的強度。為了便于計算分析，對模型進行簡化，將支座內圈與轉盤軸承的連接簡化為固定接觸。結構材料彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

由于旋轉甲板的結構較為復雜，應用ANSYS Workbench軟件Static Structural模塊進行受力分析，校核結構強度。旋轉甲板網格劃分模型如圖2所示，其中，有限元模型采用實體單元來劃分網格，網格由四面體與六面體構成，不帶銷軸和壓蓋時，模型共有279 103個節點、80 009個單元，帶銷軸和壓蓋時，模型共有312 927個節點、98 929個單元。

3 模型加載

旋轉甲板主要承受軟管甲板的質量，并通過四根立柱傳遞到旋轉塔臺，作用在相應的環形孔面上。每根立柱承受力為250 kN，吊機安裝座的重力約為300 kN，另外額外承受橫向和縱向系泊力分別為3 000 kN和1 750 kN，作用在系泊頭掛鉤處。旋轉甲板整體與桁架主軸焊接在一起，對旋轉甲板下端環形面進行固定，作為變形的參考，掛鉤處以軸承載荷進行加載。

▲圖1 旋轉塔臺總體結構

▲圖2 旋轉甲板網格劃分模型

4 強度分析

4.1 不帶壓蓋和銷軸

通過求解計算，在極端海況下，旋轉甲板不帶壓蓋和銷軸時變形量和應力分布如圖3所示，相應的掛鉤局部變形量和應力分布如圖4所示［6］。

由圖3和圖4可知，旋轉甲板的最大變形量達到2.36 mm，完全在鋼結構件可承受的范圍之內（<5.5 mm）［7-8］。由系泊力產生的軸承載荷在掛鉤處的應力為100 MPa左右，最大應力出現在掛鉤與中心筒體焊接的部位，達到268 MPa，小于相應的材料屈服強度的許用應力（384 MPa）［9］，所以旋轉甲板整體的結構設計是合理的。

▲圖3 旋轉甲板不帶壓蓋和銷軸時強度分析

▲圖4 旋轉甲板不帶壓蓋和銷軸時掛鉤局部強度分析

4.2 帶壓蓋和銷軸

通過求解計算，在極端海況下，旋轉甲板帶壓蓋和銷軸時變形量和應力分布如圖5所示，相應的掛鉤局部變形量和應力分布如圖6所示。

由圖5和圖6可知，旋轉甲板的最大變形量達到1.66 mm，相比于不帶壓蓋和銷軸時的變形量要小［10-11］。由系泊力產生的軸承載荷在掛鉤處的應力為100 MPa左右，最大應力也出現在掛鉤與中心筒體焊接的部位，達到 255 MPa，小于規范中的規定值［12］。

▲圖5 旋轉甲板帶壓蓋和銷軸時強度分析

▲圖6 旋轉甲板帶壓蓋和銷軸時掛鉤局部強度分析

5 結論

通過對旋轉甲板計算結果進行分析，可知旋轉甲板整體受力比較合理。帶銷軸和壓蓋時，旋轉甲板的最大變形量比不帶銷軸和壓蓋時的最大變形量要小0.7 mm，掛鉤處的應力分布基本相同，均在100 MPa左右，最大應力均出現在掛鉤與中心筒體焊接的部位，且均小于相應的材料屈服強度（384 MPa）。綜合上述情況分析可知，帶銷軸和壓蓋的旋轉甲板整體受力較不帶銷軸和壓蓋的情況要好，結構設計在合理范圍內，這有利于旋轉塔臺結構的進一步優化設計。