海纜船電纜盤結(jié)構(gòu)區(qū)域強度分析

郭興乾，陳曙梅，喬國瑞，李成君

(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

隨著海纜船的裝載量需求越來越大，對電纜盤基座及加強結(jié)構(gòu)的要求越來越高。電纜盤一般設(shè)置于船中區(qū)域，該區(qū)域結(jié)構(gòu)同時承受了中縱彎曲載荷和電纜盤集中載荷，不僅僅是屈服強度和屈曲強度，對于電纜盤下船體結(jié)構(gòu)的撓度變形要求也逐漸提高；電纜盤設(shè)備上分布有很多組滑輪組，在使用過程中，會有各種各樣的受力情況，如果局部結(jié)構(gòu)撓度變形較大，滑輪若懸空，勢必造成其他滑輪承受更多的載荷，對船體結(jié)構(gòu)將形成更大的作用力，如此結(jié)構(gòu)變形趨勢進一步惡化，這樣形成惡性循環(huán)，將使得電纜盤的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生不利影響。電纜的重量隨著施工會產(chǎn)生變化，因此有必要對電纜盤底座進行變形分析，根據(jù)變形結(jié)果對電纜盤工字鋼底座做相應(yīng)的預(yù)變形處理，盡可能減小使用過程中產(chǎn)生的變形對整體設(shè)備的影響。

針對電纜盤結(jié)構(gòu)區(qū)域特點，考慮首先采用波浪載荷直接預(yù)報方法分析該船在最大裝載作業(yè)工況下船體橫搖角、縱搖角是否滿足電纜盤設(shè)計要求，同時獲取該船于電纜盤中心處船體加速度作為艙段有限元分析輸入條件，并對比該船垂向波浪載荷規(guī)范值與預(yù)報值之間差異；其次通過建立艙段有限元模型，將包括電纜盤三圈軌道載荷、舷外水壓力、總縱彎矩載荷和船體運動加速度載荷施加于有限元模型上，采用艙段有限元分析方法校核該結(jié)構(gòu)區(qū)域強度及變形撓度。根據(jù)計算過程及結(jié)果，提出關(guān)于海纜船電纜盤下加強結(jié)構(gòu)與船體結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)強度分析方面的建議。

1 計算船型特點及參數(shù)

由駁船改造成的海纜船船長為100.6 m，型寬30.5 m，型深6.4 m，肋距0.6 m，設(shè)計吃水4.7 m，最大電纜裝載量5 000 t。電纜盤設(shè)置于船中FR28，直徑約22 m，電纜盤共設(shè)3圈滑輪軌道，基座由3圈圓形桁材組成，分別位于對應(yīng)的導(dǎo)軌軌道下，基座設(shè)計為工字鋼截面，工字鋼基座結(jié)構(gòu)分別連接滑輪軌道和主甲板結(jié)構(gòu)，其腹板總高為235 mm，在其與主甲板下強桁材的相交位置處沿桁材方向設(shè)置對稱肘板。電纜盤區(qū)域平面結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2為對應(yīng)3圈電纜盤軌道基座平面。

圖1 電纜盤區(qū)域平面結(jié)構(gòu)

圖2 電纜盤軌道基座平面

2 電纜盤預(yù)變形分析

電纜盤承受幾千噸級電纜重量時會產(chǎn)生變形，為研究其變形量及變形趨勢，分別計算在靜水工況下承受3 000 t電纜重量和最危險工況下電纜滿載(5 000 t)時各圈工字鋼底座的變形量，以確定對各圈工字鋼底座需要做多少預(yù)變形處理，此預(yù)變形將在設(shè)計圖紙中反映并由船廠施工直接完成。計算結(jié)果見表1和表2，典型軌道變形量見圖3和圖4。

表1 3 000 t靜水裝載工況下圈內(nèi)變形量

表2 最危險工況下圈內(nèi)變形量

圖3 3 000 t靜水工況下各圈軌道變形量

圖4 最危險工況下各圈軌道變形量

根據(jù)計算結(jié)果可得出如下結(jié)論。

1)裝載3 000 t,靜水工況和滿載極端工況下，3 000 t裝載時軌道的變形量約為滿載時變形量的一半，所以根據(jù)3 000 t時的變形量而設(shè)計反變形能有效減小滿載工況時的相對變形。

2)根據(jù)3 000 t裝載時的變形數(shù)據(jù)，首先設(shè)定各軌道之間整體的反變形如下：保持22 m軌道高度不變，將16 m軌道高度整體提高3 mm，10 m軌道高度整體提高5.6 mm，內(nèi)圈整體高度提高7.6 mm。

3)根據(jù)3 000 t裝載時的變形數(shù)據(jù)，設(shè)定各圈軌道內(nèi)部的反變形如下：內(nèi)圈反變形0.9 mm，10 m軌道內(nèi)部反變形1.4 mm，(此兩圈軌道內(nèi)部的反變形較小可以忽略不計)，16 m軌道內(nèi)部反變形4 mm，22 m軌道內(nèi)部反變形7.3 mm。

3 船體運動及載荷預(yù)報

電纜盤滑輪組在旋轉(zhuǎn)過程中，滑輪組與工字鋼基座面板是滑動連接，承受載荷的同時還要轉(zhuǎn)動，所以載荷相對穩(wěn)定和均勻的分布對電纜盤非常重要，因此需計算校核船體最大橫搖角、縱搖角，使其滿足電纜盤的設(shè)計極限值。考慮最危險的(電纜裝載量最大)滿載作業(yè)工況進行船體運動及載荷直接預(yù)報，具體裝載見表3。環(huán)境條件采用生存環(huán)境5級海況數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表4。

表3 裝載工況

表4 極限環(huán)境條件

3.1 船體運動計算結(jié)果及分析

計算采用DNV船級社開發(fā)的SESAM/WADAM和SESAM/POSTRESP程序，坐標(biāo)系定義、濕表面模型、質(zhì)量模型根據(jù)常規(guī)波浪載荷預(yù)報進行選取和模擬，電纜盤的重量以質(zhì)量點進行模擬。濕表面模型和質(zhì)量模型見圖5。

圖5 濕表面模型和質(zhì)量模型

根據(jù)各特征參數(shù)響應(yīng)傳遞函數(shù)，結(jié)合給定短期海況數(shù)據(jù)統(tǒng)計得各特征值短期預(yù)報值。計算結(jié)果見表5。由表5可知，船體最大橫搖角為10.3°，最大縱搖角為4.7°，滿足電纜盤設(shè)備商提出最大限制要求(電纜盤運輸及鋪管過程中船的搖擺，極限工況為橫搖±20°，縱搖±12.5°)。

表5 短期預(yù)報極值

3.2 波浪彎矩短期預(yù)報值與規(guī)范值比較

海纜船在裝載量最大時處于中垂?fàn)顟B(tài)，后續(xù)艙段分析選取該工況進行強度校核，本船主尺度滿足《鋼規(guī)》要求，可以采用規(guī)范公式進行垂向波浪彎矩計算，通常波浪載荷長期預(yù)報值相比規(guī)范值會大20%，從設(shè)計研究考慮，同時運用sesam軟件進行波浪載荷短期預(yù)報，計算預(yù)報所得FR28剖面處最大中垂波浪彎矩為1.92×10N·m，規(guī)范公式計算為4.02×10N·m。從計算結(jié)果可知,實際上因為作業(yè)工況需要的海況條件較好，短期預(yù)報值相比規(guī)范值要小不少，因為規(guī)范經(jīng)驗公式計算值對應(yīng)也是長期預(yù)報值，不同于海洋平臺中風(fēng)暴自存狀態(tài)下的惡劣海況，惡劣海況下短期預(yù)報值也可能比規(guī)范經(jīng)驗公式值大，從船舶保守設(shè)計考慮，采用規(guī)范計算的垂向波浪彎矩作為艙段有限元分析的輸入載荷。

4 艙段有限元強度分析

4.1 結(jié)構(gòu)模型化及邊界條件

有限元模型單元的選取和網(wǎng)格劃分、構(gòu)件的取舍、邊界約束條件的設(shè)定、載荷的施加等主要依據(jù)CCS相關(guān)規(guī)范要求進行。模型中，船體各類板、殼構(gòu)件，包括平臺板、船體甲板、舷側(cè)外板、縱艙壁板、強框架、縱桁材腹板、電纜盤基座及主甲板縱骨腹板等使用殼單元模擬等使用殼單元模擬，其他區(qū)域縱骨、扶強材、桁材以及主甲板縱骨的面板以及支柱等使用梁單元模擬。主甲板區(qū)域網(wǎng)格尺度為0.15 m，其他區(qū)域網(wǎng)格尺度為0.6 m，典型模型見圖6。

圖6 艙段有限元模型

邊界條件的設(shè)定參考依據(jù)CCS規(guī)范要求進行，艙段模型的邊界條件采用一端剛性固定，另一端施加剪力和彎矩的方式進行，同時將目標(biāo)位置的剪力和彎矩調(diào)整到目標(biāo)值。在自由端使用剛性MPC單元連接所有縱向連續(xù)構(gòu)件節(jié)點，使得變形后橫截面仍保持為平面，見圖7。

圖7 目標(biāo)彎矩調(diào)整

4.2 載荷施加

電纜盤艙段有限元分析載荷輸入主要包括總縱彎矩載荷、設(shè)備自重載荷、舷側(cè)外水壓力、油艙及水艙壓力以及船體運動加速度載荷等，根據(jù)前文所述，短期預(yù)報極值小于規(guī)范計算值，從設(shè)計角度考慮，短期海況為5級，相較于采用北大西洋波浪散布圖中垂目標(biāo)彎矩為=6.558×10N·m，如圖7所示將目標(biāo)剖面彎矩調(diào)整到目標(biāo)彎矩；自重加上電纜最大裝載量共5 400 t，其水平載荷全由中心回轉(zhuǎn)軸承承擔(dān)，對于垂向載荷，中心回轉(zhuǎn)軸承承擔(dān)500 t，直徑10 m重軌承擔(dān)800 t，直徑16 m重軌承擔(dān)1 600 t，直徑22 m重軌承擔(dān)2 500 t。如圖8所示，根據(jù)壓力公式施加水壓力，根據(jù)船體運動預(yù)報施加船體運動加速度，其中垂向加速度部分通過折算成垂向載荷與其自重疊加均布施加于4圈基座平面上，而水平加速度載荷只施加于轉(zhuǎn)盤中心回轉(zhuǎn)軸承基座平面上。

圖8 各圈軌道載荷示意

4.3 校核衡準(zhǔn)

參照CCS規(guī)范對雙殼油船結(jié)構(gòu)強度直接計算的要求，各種工況下，艙段有限元分析中的主要構(gòu)件計算應(yīng)力應(yīng)滿足表6的要求。

表6 許用應(yīng)力[σe]值 MPa

依據(jù)CCS規(guī)范要求對主要典型構(gòu)件進行屈曲強度的校核，公式不在此贅述，詳細參考規(guī)范，甲板及舷側(cè)外板、縱艙壁最小屈曲安全因子取值為0.8。

4.4 結(jié)果分析及討論

1)屈服強度。

通過計算結(jié)果分析可知：由于有中縱彎矩和電纜盤集中載荷綜合影響，主甲板、縱艙壁、縱桁等主要縱向構(gòu)件應(yīng)力較橫向構(gòu)件應(yīng)力大，電纜盤基座位于縱艙壁位置處更換原板材結(jié)構(gòu)，主甲板應(yīng)力較大在電纜盤內(nèi)圈工字鋼位于主甲板桁材板格中心弱骨材處，增設(shè)強桁材將應(yīng)力傳導(dǎo)至強桁材處更為合理；工字鋼基座面應(yīng)力隨著外圈載荷越大應(yīng)力越大，結(jié)果符合中縱彎矩和電纜盤集中均勻受力的趨勢，根據(jù)載荷施加情況，加速度值由給定海況短期預(yù)報而得。從船體運動計算結(jié)果可知，該給定海況下橫搖及縱搖值未超出電纜盤極限設(shè)計值。相反，根據(jù)極限橫搖及縱搖值得出電纜盤的不均勻分布載荷最大值，該最大值是否超出均布載荷疊加給定海況短期預(yù)報而得加速度，是值得研究。中縱剖面為桁材設(shè)計而非艙壁，中縱桁材需承受4圈軌道分布載荷分量，因此主甲板中縱桁區(qū)域靠近船中區(qū)域應(yīng)力較其他區(qū)域大，應(yīng)力值也接近許用值，從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度應(yīng)該改進該區(qū)域結(jié)構(gòu)形式或者增加結(jié)構(gòu)尺寸。主要構(gòu)件的屈服強度見表7。典型結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖見圖9。

圖9 典型結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

表7 主要構(gòu)件的屈服強度列表 MPa

依據(jù)CCS相關(guān)規(guī)范要求，選取典型主要受壓結(jié)構(gòu)的板格進行屈曲強度校核，屈曲校核值為0.84，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

1)確定電纜盤縱向中心彎矩最大值時，根據(jù)以往經(jīng)驗長期預(yù)報極值一般比規(guī)范計算值大10%～30%，但是作業(yè)工況下短期海況預(yù)報極值較長期預(yù)報極值小，所以應(yīng)比較短期預(yù)報極值和規(guī)范計算極值，取較大者；同時對于大型電纜盤，可采取預(yù)變形處理，減小實際使用過程中變形的絕對值。

2)艙段有限元計算中，通常考慮使得電纜盤每一圈的載荷均勻分布在滑輪軌道上;但是實際船在作業(yè)或運行過程中，船體橫、縱傾斜時，載荷會向某一側(cè)集中，使得局部滑輪和相應(yīng)船體結(jié)構(gòu)承受更大作用力，所以應(yīng)考慮研究橫搖和縱搖達到極值時，各圈工字鋼基座承受的載荷分布情況。

3)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計建議：船體結(jié)構(gòu)目前大多數(shù)都是使用橫縱艙壁、橫縱強框結(jié)構(gòu)、支柱結(jié)構(gòu)加強，海纜船總體結(jié)構(gòu)上要考慮總縱強度影響，根據(jù)使用后反饋甲板局部變形導(dǎo)致的滑輪懸空進而影響整個電纜盤的轉(zhuǎn)動，從基本結(jié)構(gòu)圖可以看出，雖然加密縱桁、強桁材和支柱可以減小甲板板格，提高船體的整體剛度。但是從力學(xué)原理上分析，對于與電纜盤基座直接相連接的甲板，若沒有直接加強，而是通過該區(qū)域板承受載荷傳遞到附近艙壁或桁材，這樣的設(shè)計使得板產(chǎn)生變形的趨勢大大增加。所以可以結(jié)合船體布置，對于板格較大區(qū)域，對應(yīng)工字鋼底座兩緣進行對應(yīng)加強，提高滑輪工字鋼底座區(qū)域的局部剛度，防止局部變形導(dǎo)致滑輪懸空影響電纜盤運轉(zhuǎn)。