變截面滑靴結構強度有限元設計

呂 超，楊風艷，楊明旺，劉廣輝，谷學準

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東青島 266520)

組塊、導管架等大型海洋工程結構物，放置在滑靴上建造，建造完成后通過滑道完成滑移裝船，滑靴在建造和裝船過程中，承受著來自上部結構物的所有荷載。

建造過程中，由于上部組快、導管架等結構物的重力作用，因此，變截面滑靴強度校核時，只需要考慮垂直方向的重力載荷，且在整個建造過程中重力會隨著上部結構物的總裝逐漸變大；裝船時，由于受到來自拉力千斤頂的水平方向拖拽作用，變截面滑靴不僅僅受到重力載荷作用，還受到水平載荷作用；除此以外，裝船時還需要考慮上部結構物樁腿失效造成的變截面滑靴受到載荷變大的工況。根據不同的裝船方式，滑靴主要分為連續滑靴、變截面滑靴和等截面滑靴等。本文以變截面滑靴為研究對象，使用ANSYS軟件，剖析滑靴強度的有限元分析技術。

1 單元類型選擇

ANSYS軟件提供了多種殼單元，如SHELL41、SHELL43、SHELL51、SHELL63、SHELL141、SHELL181。其中，SHELL63單元是最常用的一種彈性薄殼單元。類似的單元包括：SOLID46、SOLID64、SOLID65、SOLID92、SOLID95、SOLID185等。

為使設計結果更加準確，根據變截面滑靴由薄板、薄殼組成的特點，對變截面滑靴的有限元模擬，應該采用殼單元還是實體單元，可以使用使用單根梁為例，通過對比計算，選擇合適的單元類型。需要提前設置號的有限元模型參數主要包括，彈性模量，泊松比，梁的截面尺寸和長度，本文使用空心的矩形截面梁。約束情況可以使用最簡單的簡支梁或懸臂梁，載荷位置最好在簡支梁的中間或者懸臂梁的終端，本文使用懸臂梁并將載荷施加在梁的自由端。

根據計算結果對比不同單元類型情況下，梁跨中截面正應力值可知，殼單元有限元解比理論值偏低；實體單元有限元解與理論值吻合較好，且高階單元(SOLID186、SOLID187)有限元解明顯優于低階單元(SOLID185、SOLID285)。變截面滑靴有限模型(殼單元、實體)見圖1、圖。相應地，采用高階單元進行有限元計算時所消耗的時間明顯高于低階單元。

圖1 變截面滑靴有限模型(殼單元)

圖2 變截面滑靴有限模型(實體)

對于實體單元，當網格尺寸不同時，有限元所得的解會不相同，SOLID186-20單元的節點六面體受單元尺寸的影響更加明顯。但當SOLID185單元尺寸進一步縮小時，有限元解變化不大，求解耗時卻大幅增加。因此，本文使用Solid185對變截面滑靴進行有限元強度計算。

2 倒角

在采用相同模型、不同網格尺寸條件下，無倒角和有倒角的應力計算結果如表1，圖3、圖4。

表1 無倒角和有倒角應力計算結果

圖3 無倒角模型計算結果

圖4 0.6倍倒角模型計算結果

無倒角的應力結果隨網格密度增大，在板直角相接處的應力集中也會逐步增大；對比相同網格尺寸下，無倒角與倒角后的應力值，倒角對應力集中有一定的調節作用，且隨網格加密調節作用越明顯。

3 樁腿高度

分別使用高度為1/4，1/2，3/4，1倍樁腿直徑的樁腿高度進行計算，當支撐樁腿高度在上述四種高度之間變化時，整個滑靴的米塞斯應力計算結果差別非常小，樁腿高度對于變截面化學的強度設計的影響可以忽略。另外，從支撐導管應力分布圖中可以看出，當導管高度較小時，頂部與底部應力值較大的區域交織在一起，這屬于圣維南原理現象，此時的樁腿高度不合理。在這種樁腿高度條件下，不能消除邊界效應問題。隨著樁腿高度增加，這種影響會逐步減小直至消失。因此，選擇有限元模型的樁腿高度為1/2直徑較為合適。

4 變截面滑靴有限元模型

滑靴鋼結構部分采用實體單元，滑靴底部和滑道直接接觸的木材，考慮各項異性。載荷施加在頂部樁腿薄殼面上。對于有限元模型的約束位置，可以施加在滑靴底部墊木上，在墊木中線位置、地面位置和前后左右的側面位置施加約束(見圖5、圖6)。

計算結果表明：對比XYZ約束及正交約束，兩種約束方案關鍵位置處的最大米塞斯應力大小及位置均近似一致；不同約束方案米塞斯應力變化不大，表明約束對計算結果的影響不大，其原因在于滑靴結構及載荷均對稱，且載荷方向豎直向下。

圖5 變截面滑靴有限元模型

圖6 變截面滑靴墊木材有限元模型

5 變截面滑靴裝船過程平穩工況下有限元設計

根據有限元計算結果，采用彈性分析時，米塞斯應力最大值超過屈服強度；由于拖點應力超過屈服應力，故采用彈塑性分析，此時米塞斯應力最大值還是超過屈服強度，最大米塞斯應力發生位置在拖點處；如果不考慮拖點，滑靴最大米塞斯應力遠小于屈服強度。根據彈性分析計算結果，底部鋼板米塞斯應力最大值為也遠小于屈服強度；下表面應力分布比上表面更加均勻。滑靴頂板與樁腿米塞斯應力最大值低于屈服極限。最大米塞斯應力在樁腿與頂板接觸處；根據彈性分析結果，在樁腿位置處部分單元進入塑性階段(見圖7)。

圖7 平穩工況下受力分析模型

通過對比分析塑性計算結果，變截面滑靴頂部鋼板與樁腿的接觸位置，并未發生塑性變形，但是應力計算結果高出其它位置，所以，在實際工程中，此位置應當布置加強筋板，提高該位置的承載能力。另外，裝船工況下，該位置的應力比建造工況下變大，主要原因在于，一個方向受到壓力作用、另外一個方向受到拉力作用。

6 變截面滑靴裝船過程不平穩工況下有限元設計

裝船時，使用拉力千斤頂拖拉變截面滑靴前端的拖點，拖拽里的作用方向為水平方向，該水平方向的力主要克服水平變截面滑靴和滑道板之間的摩擦力，由于已經提前鋪設特氟龍板在滑道板上，因此，滑靴下方木頭和滑道板間的靜摩擦系數取0.2。裝船過程中，滑靴部分位于碼頭側的滑道上面，部分轉移到了船舶上的鋼制滑道。若船體下沉，則會對滑靴底部的約束產生影響。滑靴上船部分小于二分之一，則陸地部分依然XYZ全約束，上船部分懸空，予以放松約束；滑靴上船部分大于二分之一，則滑靴轉移至船上，由駁船承載。

圖8 滑靴裝船過程受力分析模型

6.1 滑靴八分之七位于陸地有限元結果分析

采用彈性分析時，米塞斯應力最大值超過屈服強度；由于拖點應力超過屈服應力，故采用彈塑性分析，此時米塞斯應力最大值還是超過屈服強度，最大米塞斯應力發生位置在拖點處；墊木應力最大值發生位置在約束改變處；主要原因是部分懸空使得墊木承受較大應力，類似于剪切變形。根據塑性分析計算結果，底部鋼板米塞斯應力最大值未超過屈服極限；下表面應力分布比上表面更加均勻。滑靴頂板與樁腿連接位置處，米塞斯應力最大值低于屈服極限。最大米塞斯應力在樁腿與頂板接觸處；根據彈性分析結果，在樁腿位置處單元仍處于彈性，但該處應力高于其他位置應力較多。在樁腿與滑靴頂部鋼板接觸位置，計算結果和第5部分分布規律相同，主要原因在于，一個方向受到壓力作用、另外一個方向受到拉力作用。根據彈塑性分析結果，米塞斯應力最大點首先出現在與水平方向夾角為45度的兩個點，然后向中部擴散，在實際項目中應采取相應措施。

6.2 滑靴八分之六位于陸地有限元結果分析

圖9 滑靴八分之六位于陸地受力分析模型

采用彈性分析時，米塞斯應力最大值超過屈服強度；由于拖點應力超過屈服應力，故采用彈塑性分析，此時米塞斯應力最大值還是超過屈服強度，最大米塞斯應力發生位置在拖點處；滑靴墊木應力值最大值出現在極個別單元。底部鋼板應力分布規律與約束位置關系密切；已上船部分鋼板應力明顯高于未上船部分。對于滑靴頂板與樁腿，應力大小及分布規律變化與其他階段相比變化不大對于拖點，應力大小及分布規律變化與其他階段相比變化不大；主要原因在于：拖點主要承受拉力作用，上部樁腿傳遞到拖點的壓力對拖點影響較小(見圖9)。

6.3 滑靴八分之四上船有限元結果分析

圖10 滑靴八分之四上船受力分析模型

采用彈性分析時，米塞斯應力最大值遠超過屈服強度；由于拖點應力超過屈服應力，故采用彈塑性分析，此時米塞斯應力最大值還是超過屈服強度，最大米塞斯應力發生位置在拖點處；在上船到一半的時候，若發生船體下沉，墊木應力高；建議應重點監控上船至一半的過程。在上船到一半的時候，若發生船體下沉，底部鋼板應力高；建議應重點監控上船至一半的過程。在底部鋼板上應力分布規律極不平均。對于滑靴頂板與樁腿，上船到變截面滑靴中間位置時，應力大小及分布規律變化不大(見圖10)。

7 結論

在上船過程中，當變截面滑靴一半上船后，滑靴底部墊木及鋼板應力變大。這是由于滑靴上部結構物的立柱位置正好在滑靴的中間位置，此時，將會在滑靴和滑道前沿的接觸位置，對底部墊木及鋼板產生剪切應力，出現應力集中現象。因此，建議滑靴上船快到中間位置時，應讓駁船負載，避免樁腿彎矩過大造成破壞。對于拖點，在上船過程中，其應力大小及規律均變化不大。主要原因在于：拖點主要承受拉力作用，上部樁腿傳遞到拖點的壓力對拖點影響較小。變截面滑靴和樁腿連接位置處，在裝船過程中，船舶和碼頭之間的高差發生變化時，應力值和分布規律沒有明顯變化。主要原因在于：該部位主要承受來自樁腿的壓力作用，拖點的水平力對該部位影響較小。