半潜起重铺管船关键连接节点设计对比分析

周 佳 钟 晨 钟文军

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011；2.海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

引 言

大型自航半潜式起重铺管工程船，可在无限航区航行，并可在满足作业环境条件的海区进行海洋工程的吊装、铺管等作业。其作业时不但遭受波浪载荷作用，同时还承受较大的起重作业载荷，受力情况十分复杂，对船体总强度要求也相当高，因而很有必要在船体结构设计阶段进行结构总强度和局部强度评估，这是船体结构设计的关键。本文在全船波浪载荷预报、全船总强度分析的基础上，对结构关键节点——立柱与上船体连接处进行细化模型分析和疲劳寿命计算，介绍分析过程和计算结果。

1 船型简介

该船是一艘钢质、全电焊半潜型起重铺管工程船。主船体由左右2个流线型的下浮体，4对立柱和横撑以及箱型上平台构成，参见下页图1。

本船的主要尺度及参数如下：

图1 半潜起重铺管船侧视图

该船主要由沉没于水下的下浮体和立柱提供浮力，同时仅由立柱提供有限的水线面面积，因此保证了在极端恶劣海况下的平台运动性能。此外，作业设备和工作平面设置于箱型的上船体，由于远离水面，故不易直接受海水波浪载荷影响。

然而，因半潜式起重铺管船的整体结构存在大量的几何突变，在波浪环境中受力复杂，尤其是立柱和上平台连接区域，起着承上启下的重要作用［1］。为了保证结构的安全，本文将对该处两种不同连接型式进行详细分析，对比两者在强度、疲劳和施工建造等方面的优劣，相关结论可供设计者参考。

2 结构对比分析基础

全船总强度结构模型为空间板梁组合模型。模型整体上采用粗网格单元，网格尺度取为2倍肋距。外板、舱壁板、甲板板，强框腹板采用壳单元，强框面板、纵骨、舱壁扶强材采用梁单元，设备、压载水、吊重等采用质量单元。总体模型约32万个单元，17万个节点，参见图2。

图2 全船有限元模型

根据3种工况不同的装载状况、吃水、质量分布和海况分别建模进行计算。其中，作业工况需要考虑起重时的外载荷最大，波浪工况只需要计算一年一遇即可，航行工况需要计算20年一遇的波浪载荷，生存工况则需要考虑目标海域百年一遇的波浪载荷。根据工程实践经验，半潜式起重铺管船的危险波浪工况包括［2-5］：

（1）最大横向分离力状态；

（2）最大扭转状态；

（3）最大纵向剪力状态；

（4）最大纵向加速度状态；

（5）最大横向加速度状态；

（6）最大垂向弯矩状态；

（7）最大垂向剪力状态。

通过分析该船作业、航行与生存载况以及不同典型危险波浪工况的总强度，选取最危险的2号立柱与上平台连接区域进行不同连接形式的结构分析比较。

3 关键区域计算比较分析

3.1 连接形式说明

结合工程应用经验和本船的实际情况，对立柱外板与上平台连接区域采用圆弧连接和折角连接两种形式分别进行分析和对比，探讨其适用性和各自的优缺点。对两种型式分别建立细网格模型（见下页图3和图4），细化区域网格大小近似取为板厚×板厚，细化范围参考规范要求适当扩大。

3.2 强度分析与比较

图3 转圆连接型式的细网格有限元模型

图4 折角连接型式的细网格有限元模型

在全船总强度分析的基础上，筛选出立柱和上平台连接的控制工况为航行工况的最大横向加速度时最为危险。采用子模型技术，将总强度载荷通过边界传递到细化模型上，对该连接局部进行细化分析和考察。细化分析所得应力云图见图5-图8。

图5 立柱与上平台连接处纵横舱壁和立柱外板的应力云图（转圆连接型式）

图6 立柱与上平台连接处内底板和内底内结构的应力云图（转圆连接型式）

图7 立柱与上平台连接处纵横舱壁和立柱外板的应力云图（折角连接型式）

图8 立柱与上平台连接处内底板和内底内结构的应力云图（折角接型式）

比较应力云图可以看出：两种方案的最大应力相差不大，均可以满足规范要求的许用应力标准。转圆连接型式最大应力为376 MPa，出现在圆角和纵横舱壁相切处；折角连接型式最大应力为372 MPa，出现在肘板趾端。为满足规范的强度要求，折角连接型式在高应力区域所需设计板厚要比转圆连接型式高出不少，最大应力出现的为位置板厚（40 mm，AH36）要大大超过转圆连接（30 mm，AH36），但是转圆连接型式的应力集中问题对板厚变化不太敏感，如果应力进一步增大，很难通过增加板厚来解决。相对而言，折角连接型式只需要增大肘板尺度即可有效降低高应力区域的应力水平。

在转圆连接方案中，最大应力出现在转圆和纵横舱壁连接的相切处，局部应力变化较大，有限元计算结果可能会有较大误差；同时该处高应力点施工建造不易处理，建造误差可能进一步导致局部应力水平升高。而在折角连接方案里，最大应力出现在肘板趾端，可以通过改变肘板设计参数进行设计优化，同时建造施工也较转圆型更容易实施。

综上所述，两种连接型式均可满足规范的强度设计要求。从设计代价而言，转圆型式更为经济，从适应性和施工便利而言，折角型式更佳。推荐采用折角型式的连接。

3.3 疲劳分析与比较

根据CCS《船体结构疲劳强度指南》的要求，采用简化方法对设计波进行折算，便可得到较为保守的结果［6-8］。使用疲劳累积损伤法对两种连接型式共计6处热点（疲劳热点分析位置如图9和图10所示）进行疲劳强度计算，所得结果如表1所示。

图9 立柱与上平台连接处疲劳热点选取（转圆连接型式）

图10 立柱与上平台连接处疲劳热点选取（折角连接型式）

从表1所列的计算结果可见，采用折角连接型式时，C、D、E、F 4处热点疲劳寿命明显高于采用转圆连接型式时A、B两处的疲劳寿命，而且相对转圆连接型式而言，折角连接型式明显更便于检验和维护。因此，在疲劳强度方面，折角连接型式比转圆连接型式更具优势。

表1 不同热点疲劳寿命计算结果

4 结 论

通过对半潜起重铺管船关键连接节点——立柱与上平台连接节点的细化分析，比较了转圆连接型式和折角连接型式两种结构型式在结构强度和疲劳寿命以及施工、检验方面的优缺点，综合比较后，最终推荐采用折角型的连接型式。本文所述内容、方法与结论可供相关设计人员参考。

［1］ 蒋彩霞，刘俊杰，胡嘉骏.深水半潜平台关键部位强度特性研究［C］.纪念徐秉汉院士船舶与海洋结构力学学术会议论文集，2011：55-60.

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［4］ DNV.Wave Analysis by Diffraction and Morison Theory［M］.Sesam User’s Manual, Det Norske Veritas, 2006.

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