海洋平台上部模块称重结构优化设计

何 浩，白 杰，张 明，王福嘉

(天津修船技术研究所，天津 300456)

受制于吊装能力及结构物整体强度，海洋平台项目多采用陆地阶段分块建造，海上吊装上部模块的方式完成整体合龙。准确的重量重心对浮吊和吊索的选择起着决定性作用[1]，为避免因重量重心的偏差影响海上吊装，需要在陆地阶段通过称重作业验证设计阶段提供的理论重量重心，核实是否满足海上吊装要求。称重作业一般采用多个液压千斤顶对焊接在上部模块立柱底部的称重结构进行同步顶升，称重结构是完成称重作业的必要条件。称重结构在单个千斤顶油缸面积内的受力一般在800～2 400 kN之间，千斤顶油缸直径一般在150～300 mm之间，受力大且受力面积小，设计难度较大。合理的称重结构形式是称重结构设计成功的重要方式和手段。

1 设计参数

1)基础工况。国内某海洋平台上部模块为三立柱组块，其设计总质量为1 457 t，共用8个400 t千斤顶进行称重，千斤顶总顶升能力3 200 t。立柱规格为D1 382×50(直径×壁厚)，立柱与滑靴间已安装8块38 mm固定板。各立柱支反力及相应千斤顶参数见表1。

表1 各立柱支反力及相应千斤顶参数

根据各立柱支反力及千斤顶数量，P002立柱为单个千斤顶受力最大的立柱，选择P002立柱作为本次优化设计研究对象。千斤顶布置需要避开已安装筋板，并围绕立柱对称布置，固定板及千斤顶布置示意图见图1。

图1 固定板及千斤顶布置示意图

2)材料参数。称重结构及立柱均采用GB/T 712-2011《船舶及海洋工程用结构钢》中的D36，弹性模量为2.1×105N/mm2，泊松比为0.3，屈服强度为355 MPa，密度为7 850 kg/m3。

3)有限元模型参数。本文中有限元模型采用shell 181，为四节点壳单元，每个节点具有X、Y、Z3个轴方向的位移和绕X、Y、Z3个轴的转角，共计6个自由度。在立柱顶部施加固定约束，千斤顶提供的支撑力可转换为圆形面载荷施加在称重结构上，载荷为6 121 kN(含1.5倍安全系数)[2]。

2 初步设计

根据以往称重结构设计经验，初步将称重结构设计为围绕立柱焊接2层50 mm厚环板，并在千斤顶上方焊接径向竖直38 mm厚筋板的形式，初步设计称重结构有限元模型见图2。施加约束和载荷，进行计算，得出初步设计Von Mises应力云图见图3。由图3知，最大应力值为304 MPa，大于许用应力(213 MPa)，不满足设计要求。

图2 初步设计称重结构有限元模型

图3 初步设计Von Mises应力云图

3 优化设计

1)删减非受力结构。根据初步设计计算结果分析，除千斤顶上部称重结构受力较大，其余部分环板没有在称重时发挥作用且造成材料浪费。可优化称重结构，删减非受力环板。删减非受力环板后有限元模型见图4、Von Mises应力云图见图5。

图4 删减非受力环板后有限元模型

图5 删减非受力环板后Von Mises应力云图

由图5知，删减非受力环板后最大应力值为312 MPa，与删减前基本一致，但可有效减少材料投入，符合优化设计预期。

2)增加称重结构板材厚度。为减小称重结构最大应力值，考虑增加称重结构板材厚度可有效增加结构强度，将环板厚度增加至60 mm，径向竖直筋板厚度增加至45 mm。增加板材厚度后有限元模型见图6、Von Mises应力云图见图7。

图6 增加板材厚度后有限元模型

图7 增加板材厚度后Von Mises应力云图

由图7知，增加板材厚度后最大应力值为303 MPa，称重结构强度得到加强，但与立柱相接处应力过于集中，无法有效降低应力最大值，未达到优化设计预期。

3)增加径向筋板数量。单纯增加板厚无法有效降低最大应力值，考虑增加径向筋板数量分散应力分布。增加径向筋板数量后有限元模型见图8、Von Mises应力云图见图9。

图8 增加径向筋板数量后有限元模型

图9 增加径向筋板数量后Von Mises应力云图

由图9知，增加径向筋板数量后最大应力值为374 MPa，与立柱相接处应力的分散效果不理想，且与千斤顶接触面应力集中明显，未达到优化设计预期。

4)增加垂直于径向筋板。通过对以上优化设计方案计算结果分析，发现立柱与上环板相接处及径向竖直筋板为应力较大的区域，而原有固定板应力值较小，在称重过程中未发挥作用。考虑增加38 mm厚垂直于径向的筋板，加强称重结构与固定板的连接，让固定板充分参与到整体计算中。增加垂直于径向筋板后有限元模型见图10、Von Mises应力云图见图11。

图10 增加垂直于径向筋板后有限元模型

图11 增加垂直于径向筋板后Von Mises应力云图

由图11知，此优化设计方案可有效降低最大应力值至220 MPa，但仍大于许用应力值(213 MPa)，且嵌入式箱型空间狭小，施工难度较大。立柱与上环板相接处仍为应力最大的区域，考虑减小上环板厚度为38 mm，让应力分布更加均匀。上环板外侧部分应力分布较小，考虑减小上环板尺寸，解决嵌入式箱体结构施工困难的问题。减小上环板厚度及尺寸后有限元模型见图12、Von Mises应力云图见图13。

图12 减小上环板厚度及尺寸后有限元模型

图13 减小上环板厚度及尺寸后Von Mises应力云图

由图13知，减小上环板厚度及尺寸后最大压力值为209 MPa，小于许用应力值(213 MPa)，满足设计要求且便于施工作业。

4 结果对比

通过对称重结构的优化设计，大幅减少了材料投入，有效降低了最大应力值，优化设计前后材料投入及最大压力对比见表2。优化设计前后图形对比见图14。

表2 优化设计前后材料投入及最大应力对比

图14 优化前后图形对比

5 结束语

本文以国内某海洋平台上部模块称重结构为研究对象，通过对称重结构不同设计方案的探索和模拟仿真，逐步完成对称重结构的优化设计。优化设计过程中可发现删减称重结构中受力不明显的结构对计算结果影响微小，但可有效减少材料投入；合理的结构形式可以让应力分布更加均匀，有效地降低最大应力值，达到良好的优化设计效果。