海洋平臺上部模塊稱重結構優化設計

何 浩，白 杰，張 明，王福嘉

(天津修船技術研究所，天津 300456)

受制于吊裝能力及結構物整體強度，海洋平臺項目多采用陸地階段分塊建造，海上吊裝上部模塊的方式完成整體合龍。準確的重量重心對浮吊和吊索的選擇起著決定性作用[1]，為避免因重量重心的偏差影響海上吊裝，需要在陸地階段通過稱重作業驗證設計階段提供的理論重量重心，核實是否滿足海上吊裝要求。稱重作業一般采用多個液壓千斤頂對焊接在上部模塊立柱底部的稱重結構進行同步頂升，稱重結構是完成稱重作業的必要條件。稱重結構在單個千斤頂油缸面積內的受力一般在800～2 400 kN之間，千斤頂油缸直徑一般在150～300 mm之間，受力大且受力面積小，設計難度較大。合理的稱重結構形式是稱重結構設計成功的重要方式和手段。

1 設計參數

1)基礎工況。國內某海洋平臺上部模塊為三立柱組塊，其設計總質量為1 457 t，共用8個400 t千斤頂進行稱重，千斤頂總頂升能力3 200 t。立柱規格為D1 382×50(直徑×壁厚)，立柱與滑靴間已安裝8塊38 mm固定板。各立柱支反力及相應千斤頂參數見表1。

表1 各立柱支反力及相應千斤頂參數

根據各立柱支反力及千斤頂數量，P002立柱為單個千斤頂受力最大的立柱，選擇P002立柱作為本次優化設計研究對象。千斤頂布置需要避開已安裝筋板，并圍繞立柱對稱布置，固定板及千斤頂布置示意圖見圖1。

圖1 固定板及千斤頂布置示意圖

2)材料參數。稱重結構及立柱均采用GB/T 712-2011《船舶及海洋工程用結構鋼》中的D36，彈性模量為2.1×105N/mm2，泊松比為0.3，屈服強度為355 MPa，密度為7 850 kg/m3。

3)有限元模型參數。本文中有限元模型采用shell 181，為四節點殼單元，每個節點具有X、Y、Z3個軸方向的位移和繞X、Y、Z3個軸的轉角，共計6個自由度。在立柱頂部施加固定約束，千斤頂提供的支撐力可轉換為圓形面載荷施加在稱重結構上，載荷為6 121 kN(含1.5倍安全系數)[2]。

2 初步設計

根據以往稱重結構設計經驗，初步將稱重結構設計為圍繞立柱焊接2層50 mm厚環板，并在千斤頂上方焊接徑向豎直38 mm厚筋板的形式，初步設計稱重結構有限元模型見圖2。施加約束和載荷，進行計算，得出初步設計Von Mises應力云圖見圖3。由圖3知，最大應力值為304 MPa，大于許用應力(213 MPa)，不滿足設計要求。

圖2 初步設計稱重結構有限元模型

圖3 初步設計Von Mises應力云圖

3 優化設計

1)刪減非受力結構。根據初步設計計算結果分析，除千斤頂上部稱重結構受力較大，其余部分環板沒有在稱重時發揮作用且造成材料浪費。可優化稱重結構，刪減非受力環板。刪減非受力環板后有限元模型見圖4、Von Mises應力云圖見圖5。

圖4 刪減非受力環板后有限元模型

圖5 刪減非受力環板后Von Mises應力云圖

由圖5知，刪減非受力環板后最大應力值為312 MPa，與刪減前基本一致，但可有效減少材料投入，符合優化設計預期。

2)增加稱重結構板材厚度。為減小稱重結構最大應力值，考慮增加稱重結構板材厚度可有效增加結構強度，將環板厚度增加至60 mm，徑向豎直筋板厚度增加至45 mm。增加板材厚度后有限元模型見圖6、Von Mises應力云圖見圖7。

圖6 增加板材厚度后有限元模型

圖7 增加板材厚度后Von Mises應力云圖

由圖7知，增加板材厚度后最大應力值為303 MPa，稱重結構強度得到加強，但與立柱相接處應力過于集中，無法有效降低應力最大值，未達到優化設計預期。

3)增加徑向筋板數量。單純增加板厚無法有效降低最大應力值，考慮增加徑向筋板數量分散應力分布。增加徑向筋板數量后有限元模型見圖8、Von Mises應力云圖見圖9。

圖8 增加徑向筋板數量后有限元模型

圖9 增加徑向筋板數量后Von Mises應力云圖

由圖9知，增加徑向筋板數量后最大應力值為374 MPa，與立柱相接處應力的分散效果不理想，且與千斤頂接觸面應力集中明顯，未達到優化設計預期。

4)增加垂直于徑向筋板。通過對以上優化設計方案計算結果分析，發現立柱與上環板相接處及徑向豎直筋板為應力較大的區域，而原有固定板應力值較小，在稱重過程中未發揮作用。考慮增加38 mm厚垂直于徑向的筋板，加強稱重結構與固定板的連接，讓固定板充分參與到整體計算中。增加垂直于徑向筋板后有限元模型見圖10、Von Mises應力云圖見圖11。

圖10 增加垂直于徑向筋板后有限元模型

圖11 增加垂直于徑向筋板后Von Mises應力云圖

由圖11知，此優化設計方案可有效降低最大應力值至220 MPa，但仍大于許用應力值(213 MPa)，且嵌入式箱型空間狹小，施工難度較大。立柱與上環板相接處仍為應力最大的區域，考慮減小上環板厚度為38 mm，讓應力分布更加均勻。上環板外側部分應力分布較小，考慮減小上環板尺寸，解決嵌入式箱體結構施工困難的問題。減小上環板厚度及尺寸后有限元模型見圖12、Von Mises應力云圖見圖13。

圖12 減小上環板厚度及尺寸后有限元模型

圖13 減小上環板厚度及尺寸后Von Mises應力云圖

由圖13知，減小上環板厚度及尺寸后最大壓力值為209 MPa，小于許用應力值(213 MPa)，滿足設計要求且便于施工作業。

4 結果對比

通過對稱重結構的優化設計，大幅減少了材料投入，有效降低了最大應力值，優化設計前后材料投入及最大壓力對比見表2。優化設計前后圖形對比見圖14。

表2 優化設計前后材料投入及最大應力對比

圖14 優化前后圖形對比

5 結束語

本文以國內某海洋平臺上部模塊稱重結構為研究對象，通過對稱重結構不同設計方案的探索和模擬仿真，逐步完成對稱重結構的優化設計。優化設計過程中可發現刪減稱重結構中受力不明顯的結構對計算結果影響微小，但可有效減少材料投入；合理的結構形式可以讓應力分布更加均勻，有效地降低最大應力值，達到良好的優化設計效果。