大型组块拖航运输强度分析研究

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(海洋石油工程股份有限公司设计公司 浮式结构设计部，天津 300451)

随着我国海洋石油工业不断向着“深水进军”，组块的总体规模越来越大，最近的南海项目组块的重量已超过3万t，创历次之最。在驳船运输组块的过程中，在波浪载荷作用下，驳船的柔度对组块的结构强度会产生很大的影响，这和以往在不需要考虑船体变形因素的条件下对组块进行运输强度校核具有很大不同。因此，在给定海况下，组块在用驳船运输过程中，船体变形的数据直接影响组块结构强度的校核结果。为此，采用基于频域分析的设计波法，对南海某项目的组块运输进行三维全耦合数值模拟和计算分析。根据驳船运动诱导的惯性力，以及重力等求出组块各构件的应力，按API规范进行校核组块的结构强度。

1 海况条件及总体结构模型

1)海况条件采用中国南海某区域，10年一遇海况。有义波高：Hs=4.9 m；谱峰周期：Tp=12 s。

2)总体结构模型。根据图纸信息，准确建立组块、DSF、滑道、SEAFASTENING和驳船结构模型。由于要准确地模拟出驳船和组块结构，导致有限元模型的单元数和节点数量十分庞大，而且为了准确模拟组块与驳船船体连接节点自由度，将整个系统分为两个子模型——组块(含DSF)和驳船，然后利用超单元组合技术，将它们组合成整体结构模型[1-2]。见图1～4。

图1 组块结构模型

图2 驳船结构模型

图3 整体结构分析模型

图4 Sea fastening整体模型分布

2 三维水动力计算与设计波选取

根据驳船的型线资料，建立三维水动力计算的湿表面模型。根据驳船的舱室布置图进行三维模型的舱室划分，并模拟舱室压载水，进行水动力计算。

采用设计波法进行组块运输全耦合的强度分析，设计波参数由组块重心处3个线方向最大加速度、3个角方向最大加速度以及驳船中横剖面3个方向最大弯矩等9个主导载荷确定。计算船体在各主导载荷工况下，载荷响应的短期极值，并结合各载荷响应的传递函数确定设计波参数，包括浪向、周期、波幅和相位。

选取的设计波见表1。

表1 设计波选取结果

3 波浪载荷的计算与载荷传递

在得到设计波参数后，即可针对选定的设计波，采用三维线性频域水动力理论，进行波浪载荷计算。在用设计波法对组块运输时驳船所受波浪载荷进行预报时，需要将驳船湿表面的水动压力、液舱载荷以及惯性载荷施加到有限元模型上，确保模型的静力和动力平衡，用于进行结构有限元计算。

4 计算工况组合

驳船受到静水载荷和波浪载荷的作用，由于SEAFASTENING 是在组块装船后才焊接上去的，因此SEAFASTENING 在静水载荷工况下不起支撑固定作用，只在波浪载荷工况下起支撑作用。为此，需要分静水工况和波浪工况两种情况进行计算：在静水载荷工况下分析时要将SEAFASTENINGS 与驳船连接处的节点单元解耦，这样SEAFASTENINGS 便不起支撑作用；在波浪载荷工况下分析时，又需要将SEAFASTENING 与驳船连接节点耦合上，使它们起到支撑固定作用。最后用PREPOST模块，将这两个载荷工况的结果合并起来，得到最终结果文件[3]。另外，由于RUNNERS 与驳船甲板上的滑道之间只受压力而不受拉力，这里可通过分析RUNNERS 的受力情况来实现。如果在分析工况下， RUNNERS 所受的力为压力，那么就不用对它进行操作，如果RUNNERS 所受的力为拉力，那么就要将受拉力作用的RUNNERS 与驳船甲板上滑道的接触节点解耦，使之受压不受拉。

5 计算结果分析

5.1 组块杆件强度校核结果

采用SESAM/FRAMEWORK模块[4]，依据API RP 2A WSD对组块(含DSF)杆件结构进行强度校核，计算结果表明少数杆件在某些工况下，不满足强度要求，其中，UC值最大达到2.3(由于篇幅有限，具体计算结果暂不列出)。不满足强度要求的构件，见图5、6中深色构件。

图5 组块中UC>1的杆件

图6 DSF中UC>1的杆件

5.2 组块管节点冲剪校核结果

采用SESAM/FRAMEWORK模块，依据API RP 2A WSD，对组块(含DSF)管节点进行冲剪强度校核，计算结果表明少数节点在某些工况下，不满足强度要求，其中，UC值最大为1.23。不满足强度要求的节点，见图7中深色节点。

图7 组块中UC>1的管节点

6 结论

按照以往传统方法，应用SACS软件，对组块单独进行结构校核，没有考虑驳船结构的弹性影响，尤其对于重量超过3万t的大型组块，在组块拖航运输过程中，驳船的柔度对组块的结构强度会产生很大的影响，这和以往在不需要考虑船体变形因素的条件下，对组块进行运输强度校核具有很大不同。因此，需要用新的方法来进行运输分析。

本文采用的全新的组块与驳船全耦合的分析方法，对大型组块进行拖航强度分析，与传统的不考虑运输驳船、单独对组块进行校核的方法相比，具有3点创新。

1)将组块和驳船作为一个整体系统进行数值模拟和计算分析，计入了驳船结构的弹性影响，更切合组块运输的实际情况，使分析结果更真实可信；

2)采用三维势流理论，精确地计算出了驳船所承受的波浪载荷，精确地模拟了组块、滑道和驳船的边界条件和结构特性，使运输分析的数值模拟更准确；

3)组块与驳船船体连接节点自由度的准确模拟，更真实地反映了组块与驳船之间的相互作用和接触变形情况，使组块拖航运输的运动分析和结构计算，准确度更高、结果更真实、可靠。

该方法已应用于多个项目的组块/导管架的拖航运输分析，结果证明该方法是成功可行的，可应用于其他类似项目中，具有一定推广价值。

[1] DNV.Genie sesam user manual[S],Det norske veritas,2004.

[2] DNV.Presel sesam user manual[S],Det norske veritas,2004.

[3] DNV.Prepost sesam user manual[S],Det norske veritas,2004.

[4] DNV.Framework sesam user manual[S],Det norske veritas,2004.