利用SPMT进行模块装船的稳定性及结构分析

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(惠生海洋工程有限公司，上海 201210)

利用SPMT进行模块装船的稳定性及结构分析

李学华，李翠东

(惠生海洋工程有限公司，上海 201210)

以典型模块通过自行式模块运输车(SPMT)装船过程为研究对象，通过将液压系统简化为3点等效支撑，计算SPMT在模块发生重心偏移前后的稳定性，考虑模块及SPMT实际刚度并利用SACS软件将垫墩模拟为仅可承受轴向压缩的GAP单元，计算SPMT及模块的整体结构响应。结果表明，模块重心变化对SPMT稳定性影响显著，利用SACS软件可以模拟模块装船过程的整体结构响应，装船过程中的模块和SPMT变形对结构完整性有重要影响。

自行式模块运输车；模块；装船；稳定性；结构响应

自行式模块运输车(self-propelled modular transporter，SPMT)凭借其组合灵活性、运输便捷性，在模块由制造场转运至运输船的装船过程中得到了越来越广泛的运用[1]。模块EPC承包商对于利用SPMT进行模块装船作业多采用分包的方式，由专业分包商提供解决方案，承包商只根据分包商要求作好辅助工作。分包产生新的工作界面无疑会增加协调工作，分包商参与靠后也会限制设计的灵活性，减少企业的话语权。独立完成利用SPMT进行模块装船分析对于提高企业产品设计能力和竞争能力具有重要意义。

目前所见相关文献多是对运用SPMT进行大件运输的工法描述[2-3]，配载计算[4]和忽略货物刚度时SPMT自身装载能力的分析[5-6]，未见利用SPMT进行模块装船的稳定性及结构分析报道。为此，选取典型模块，探讨模块重心变化对SPMT稳定性的影响，考虑模块及SPMT实际刚度并利用SACS软件模拟计算装船过程中的整体结构响应。

1 SPMT应用思路

所述SPMT 运输系统包括6轴线模块平台车与动力单元2大部分。平台车主梁截面为梯形，横向分布悬挂安装横梁和边纵梁。平台车配备液压管路和快速接头，以便与其他平台车进行拼接。平台车中每个轴线由2个摆式轮轴组成，每个摆式轮轴都有独立的液压悬挂。通过控制液压系统实现平台车起升、下降(1 500±300 mm)，完成运动至货物下方并装载货物，或者卸载货物并从货物下方撤出等动作。

平台车悬挂上的支撑液压缸由管路和软管相互连接并使用阀门对液压缸进行液压分组，每组为一个独立回路[7]。通过控制每个轴线液压回路之间的阀门，可以确保在多台平台车拼接的情况下，也可以灵活地对液压系统进行分组。即使在不平坦道路上行驶，也可以利用回路中压力平衡自动调节每个轮轴的液压缸高度来适应地面，保持均匀的轴线载荷。

在更换轮胎或者单轴损坏的情况下，通过手动操作阀门来锁死或将单轴从整个液压系统中分离出来。液压支撑和升降系统具有单回路安全系统，以确保在某个升降管路破损的情况下，整个平台车不会发生倾斜。

2 稳定性分析

整体布置主要考虑SPMT的稳定性，包括防侧翻和防过载2个方面[8]。选取典型模块为钢质桁架结构，重约1 800 t，为设备、管系、平台和梯道提供支撑，SPMT单个轴线有效载荷30 t/自重4 t/轴距1.4 m。计划使用4列×30共120轴线运输，并将液压系统分为3个分组，布置见图1。

由于模块重量信息并非最后准确结果，考虑设计余量和SPMT设计允许最大爬坡角度，得到模块重心位置包络线如图1中A-B-C-D-A所示。

图1 模块重心包络线和SPMT布置示意

由于每个液压分组中各轴线载荷相同，故将不同液压分组的支撑等同于形心位置处的单点支撑。当模块重心位置竖向投影越过3个液压分组等效单点支撑围成的三角形区域时，则发生倾覆。当模块重心位置竖向投影处在3个液压分组等效单点支撑围成的三角形区域内时，则不会发生倾覆，此时只需要考虑由于重心偏移导致轴线载荷是否过载的问题。假设不同液压分组等效支撑力分别Ri，则有

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对应不同重心位置的单个轴线载荷计算结果见表1。

表1 SPMT单个轴线载荷 kN

由表1可见，虽然不同重心处轴线载荷的最大利用率都不超过1，即不发生过载，但重心偏移后的最大轴线载荷相比无偏移时增加显著。

3 结构分析

文献[5-6]中对于SPMT运输货物的分析是忽略货物刚度，并根据支架数量将货物重量平均分配至支架位置处进行SPMT装载校核。这种简化方法适用于利用SPMT运输货物的基本设计阶段SPMT布置方案评估，但并不适用于模块装船详细设计中对模块结构完整性的校核，也没有考虑货物和SPMT变形对力传递的影响。

考虑模块和SPMT实际刚度时的整体结构模型见图2。

图2 SPMT运输模块3D模型

利用SACS软件模拟模块主要结构和SPMT主梁结构，设备、管系、平台梯道，以及次要结构的重量通过点、线和面质量施加，以保证模型中模块重心位置和重量报告中估算重心位置一致。重心偏移则通过力的平移原理施加力偶模拟。

在实际工程中，垫墩坐落于SPMT主梁上并支撑模块运输横梁。在计算结构模型中，垫墩由只能承受轴向压力的GAP单元模拟。模块自重由SACS软件自动生成，SPMT自重和地面支撑通过均匀线载荷施加于SPMT主梁上。为避免刚度矩阵奇异，在模块顶部边缘施加2个水平方向的弹簧，在模块重心于各列SPMT投影处施加3个水平方向弹簧作为位移边界条件。

当重心偏移至不同位置时，计算得到的SPMT剪力弯矩图见图3(限于篇幅，仅列出重心无偏移和重心偏移至D处第2列SPMT结果)。根据参考文献[5-6]中简化方法计算得到的SPMT剪力弯矩见图4。

图3 整体模拟所得剪力和弯矩

图4 简化假设所得剪力和弯矩

当重心偏移至不同位置时，2种计算模型中第2列SPMT主梁中的最大弯矩计算结果见表2。

表2 2种计算模型第2列中最大弯矩结果对比

造成2者之间较大差别的原因在于考虑模块结构和SPMT实际刚度及变形时，不同列SPMT和同列SPMT不同垫墩处分配到的模块重量并非均匀分布。模块沿SPMT方向前后2端由于结构突变导致结构刚度变小，整体发生2端上翘变形呈碗状，分配到不同垫墩上的力呈现中间大2头小的趋势。

当重心偏移至不同位置时，校核结果显示应力较大(UC>0.88)构件位置如图5中粗线所示。

图5 模块构件校核结果

由图5可见，应力较大构件主要位于运输横梁剖面的立柱位置和模块最低层平面，造成这种情形的原因在于模块重量主要通过立柱传递至最低层平面中的运输横梁，而SPMT在不同跨立柱之间的运输横梁下方居中布置并通过垫墩支撑运输横梁。当SPMT升起后运输横梁呈悬臂状态，导致立柱下垂并在与运输横梁相交处产生较大弯矩。

4 结论

1)稳定性校核时，应充分考虑模块后续设计修改及路况不平时引起的重心偏移，保证重心包络线处在不同液压分组确定的稳定性区域内，并防止由于重心偏移导致局部轴线载荷过载。

2)通过SACS软件可以实现利用SPMT进行模块装船过程的分析，其中垫墩模拟为只承受轴向压力的GAP单元，各列SPMT可模拟为连续梁并承受不同液压分组区域内的液压缸均布载荷支撑。在重心位置附近施加弹簧约束以减轻边界条件影响并避免刚度矩阵奇异。

3)模块和SPMT主梁刚度及变形对力传递具有重要影响，为校核模块运输过程中的结构完整性，必须对SPMT和模块做整体分析，以准确模拟力传递变化对结果的影响。

4)为避免所述立柱失效，可以考虑留足操作空间后将SPMT靠近立柱平面布置，降低立柱下垂诱发的弯矩。

5)虽然SPMT运输过程中速度平稳，可以作为静力状态考虑，但由于模块重量大，如何考虑运输过程中起动及刹车时的惯性力,需要进一步分析。

[1] 杨怀东,李大浪,王建群,等.冶金矿山工厂模块化运输方式探讨[J].铜业工程,2013(5):51-54.

[2] 魏笑科,罗兴民.大型构件滚装上驳船方案探讨[J].广东造船,2014(4):81-83.

[3] 伍彦均.大型设备船到船滚装技术研究与应用[J].起重运输机械,2015(9):80-83.

[4] 郑茂尧,王娟,赵江达,等.浅谈SPMT装船工艺下海洋工程结构物建造的前期准备工作[J].中国海洋平台,2012,27(增刊):10-14.

[5] 叶超,郑绍春,吴皓晨,等.船体分段转运平板车载荷装载图的绘制与应用[J].船海工程,2008,37(6):42-45.

[6] 周俊,马力.液压模块组合挂车装载问题研究[J].力学与实践,2011,33(1):56-59.

[7] 陈伟,郭为忠,高峰.动力模块车组液压悬挂系统的分组建模[J].机械工程学报,2012,48(5):108-115.

[8] 刘兴敏,马力,杨晓慧.三纵列液压模块组合挂车侧倾稳定性计算[J].力学与实践,2011,33(5):38-41.

Stability and Structure Analysis of Module Load-out Process with SPMT

LIXue-hua,LICui-dong

(Wison Offshore & Marine Company, Shanghai 201210, China)

The typical module load-out process with SPMT (self-propelled modular transporter) was researched. Through simplifying hydraulic jack-up system as equivalent tri-point support, the SPMT’s stability was calculated with and without module center of gravity offset. With actual stiffness of module and SPMT considered and cushion blocks simulated as only-compression GAP elements in SACS package, the global structure response including SPMT and module was calculated. The results showed that effects of module center of gravity shift on SPMT’s stability are prominent, SACS package is capable of simulating the global structure response in module load-out process, deflection of module and SPMT presents significant effects on structure integrity during load-out.

SPMT; module; load-out; stability; structure response

U674.38;U661.4

A

1671-7953(2017)05-0001-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.002

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.001

2016-11-15

修回日期：2016-11-28

李学华(1987—)，男，硕士，工程师

研究方向：平台上部组块和工厂模块的结构设计