半潜式起重平台上船体整体吊装有限元强度分析

周贵斌 王树青 成斌

（烟台中集来福士海洋工程有限公司 山东 烟台 264000）

半潜式起重平台上船体整体吊装有限元强度分析

周贵斌 王树青 成斌

（烟台中集来福士海洋工程有限公司 山东 烟台 264000）

半潜式起重平台；有限元分析；整体吊装；强度

为了保证半潜式平台上船体在吊装过程中的安全性，按照DNV相关原则和规定，利用CATIA软件进行了有限元强度分析。分析结果表明，在静态和吊装状态下，通过对薄弱部位的加强，吊装的安全性能够得到保障。

王树青（1974.07-），男，汉族，硕士，工程师，主要从事机械设计及有限元分析，发动机（活塞）试验及活塞优化设计等工作。

成斌（1982.03-），男，汉族，助理工程师，主要从事海工行业大型模块的吊装模拟及分析等工作。

0 引言

借助于世界上最大的桥式起重机，一种更安全、更高效的建造工艺——“泰山合拢法”被成功应用到了半潜式平台建造中［1］。这种方法采用上下船体同时分段建造、整体组焊的方式，全部舾装设备和附属设备均在陆地上完成安装，然后由“泰山”桥式起重机完成上下船体的对位合拢。

设计合理的吊装方案，并对上船体结构进行有限元强度分析是顺利实施此工程的关键。本文以SSCV半潜式起重平台上船体为研究对象，利用CATIA软件的有限元分析（FEA）模块对其吊装时的强度进行了分析。

1 平台基本情况及吊装方案简介

1.1 SSCV起重平台

SSCV是半潜式起重平台，总起重量3 600 t。其基本参数：平台总长123.75m、宽81m、高39 m，上船体长81m、宽81m，高9 m，图1是SSCV半潜式起重平台模型图。其中上船体主要包括主体钢结构模块，机械设备，电气设备，管路以及舾装等，总重量为15 536.8 t，见表1。

1.2 吊装方案

图1 SSCV起重平台模型图

表1 上船体重量一览

使用“泰山”桥式起重机的12组分布承载式吊钩进行本次吊装作业，每组吊钩共有16个小吊钩直接与上船体连接；上船体的两个横舱壁FR22和FR38作为吊装肋位，起重机的起吊点布置在两个横舱壁与生活模块甲板接缝处的吊耳板上，如图2红色区域所示；图3为现场吊耳与吊耳板的连接。

图2 吊点布置

2 有限元分析

2.1 有限元模型

图3 吊钩与上船体的连接

为了便于有限元分析，需要对上船体建筑进行简化建模，舾装以及相关的一些设备忽略，通过后面的载荷处理来进行模拟。参考挪威船级社相关规定选取合适的有限元网格尺寸对模型划分网格，板材采用四节点四边形板单元；横梁、纵骨、纵桁等采用梁单元进行模拟。整个模型共有770 123个节点、41 034 504个单元。

2.2 边界条件

在本次分析中，为了更准确地模拟吊钩组的实际工作状况，每组吊钩用一个刚性弹簧虚拟零件（Rigid Spring Virtual Part）和一个自定义约束（Userdefined Constraint）来模拟，如图4所示。自定义约束限制约束了3个位移自由度，释放了3个旋转自由度。另外，为了避免刚性位移，在平台底部边沿施加了2个自定义约束，横向边约束横向位移，纵向边约束纵向位移。

图4 有限元模型

2.3 载荷模拟

图5 边界条件

通过定义有限元模型中构件单元的材料及密度，CATIA程序可以自动计算船体结构自重。在建立模型的时候没有包括的大型设备、舾装等可以根据其实际位置，通过分布力的形式施加到相应的承载甲板上；至于其他的一些小构件，重量相对较小，可以通过调整材料密度大小或者重力加速度的方式予以考虑。在计算前，还需要调整模型的重量、重心，使其与实际结构的重量、重心保持一致［2］。

另外，对于此类起吊作业，根据DNV的相关规定和原则［4］，应该将偏心系数引入到分析过程中，其定义式如下：

其中，γdesign是设计因数,γf是载荷因数，γc偏心因数。通过在设置密度或者及施加载荷的时候，将相应的数值大小放大1.69倍来实现。

3 分析结果

3.1 许用应力

整座平台主体结构均采用AH36、DH36或者更高级别的高强度船用钢铁材料，其许用应力不小于355 MPa，参照ULS屈服应力检测规定，还应当取1.15作为材料系数［3］。因此，在本次分析中，钢铁材料许用应力取355/1.15=308 MPa。

3.2 吊装过程中上船体的受力及变形分析

图6为起吊过程中上船体的整体应力分布云图；另外，还着重考察了吊装肋位FR22和FR38两个舱壁的受力分布情况，如图7所示。图8为上船体整体变形分布云图。

3.3 各组吊耳的支反力计算

图6 上船体整体应力分布云图

图7 吊装肋位横舱壁应力分布云图

图8 上船体整体变形分布云图

通过CATIA软件求解模块中自带的虚拟传感器，还可以求出每个圆锥铰约束的支反力，这个数值与每组吊耳的拉力相当，见表2。

表2 每组吊钩支反力一览

4 结论和建议

（1）计算结果显示，上船体最大应力值为302MPa，小于材料的许用应力308MPa。由此可以判断，我们的吊装设计方案以及局部加强设计符合DNV起吊安全作业要求；

（2）对于整个结构应力值或者变形较大的区域，特别是与吊耳连接最直接的FR22和FR38两个舱壁，在吊装工程实施时，质检人员应当有针对性地进行关注和检查；

（3）从支反力的计算结果可以看出，每组吊钩的载荷未超过其额定载荷1 680 t；总的支反力与上船体的实际重量几乎相等，验证了我们载荷模拟的精确性；在起吊过程中，吊耳的预加载荷、实时载荷以及最终的静止载荷可参照计算值设置和调整；

（4）对于泰山合拢法，分布式承载吊钩的布置以及多达384个吊点的连接，可以最大限度的使吊点附近区域受力均匀，不必增加过多的加强结构。本次工程中，我们除了在吊装肋位两端适当做了延伸装置外，仅对吊装肋位相邻舱壁上的个别开孔进行了封堵加强。

［1］周贵斌，李天侠，未俊丰.泰山合拢法工艺在半潜式平台建造中的应用［J］.上海造船，2010（3）：59-62.

［2］张延昌，王自力，罗广恩等.船舶上层建筑整体吊装强度有限元分析［J］.船舶工程，2006（3）：62-65.

［3］Rules for Planning and Execution of Marine Operations［S］.挪威船级社（DNV）.1996.

FEA of the integral lifting intensity for the upper hull of the semi-submersible crane platform

Zhou Guibin Wang Shuqing Cheng bin

semi-submersible crane platform；Finite Element Analysis（FEA）；Integral Lifting；Intensity

To make sure the security of the upper hull of the semi-submersible crane platform during the lifting process，a finite element analysis is carried out by CATIA in accordance with the DNV rules and regulations.The analysis shows that the security of lifting could be ensured by strengthening the weak area under the static and lifting conditions.

U671.91

A

1001-9855（2011）01-0054-04

2010-11-23

周贵斌（1979.06-），男，汉族，硕士，工程师，主要从事机械设计以及有限元分析、制冷空调设备开发设计等工作。