铺管船改造门架系统结构强度分析

谭慧娟，张 燏，宋 健

(1.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003；2.靖江新时代造船有限公司，江苏 泰州 214500)

0 引言

海洋是人类可持续发展的战略资源宝库，海洋运输及海洋工程辅助用船的高质量发展及技术创新迫在眉睫。铺管船因数量有限无法满足国内海底管道项目施工需求，未来铺管船市场前景广阔，因此需要不断推进现有船舶改造升级，将现有甲板驳船改造成铺管船。铺管船是用于铺设海底管道专用的大型设备，其船体是铺管设备的载体，铺管设备和铺管工艺是核心。船尾门架在铺管作业时发挥重要作用，因此门架的设计对整船的设计至关重要。本文研究的改造船总长约105 m，型宽30.47 m，型深6.41 m，根据非作业放置拖航工况和作业吊装工况，改造船尾门架系统。为了确保门架结构的安全，采用MSC.PATRAN和NASTRAN软件对整个门架结构进行有限元计算分析。

1 门架系统布置

某铺管船船尾的门架系统由门架结构、拉杆结构、门架滑轮组、门架钩和钢丝绳组成，通过甲板上的双滚筒绞车进行起吊作业。门架系统的示意图(侧视图)见图1。

图1 船尾门架结构布置图

门架结构总长约20 m，拉杆结构总长约17 m，除成品件以外的板材材料为D36。门架结构的示意图(俯视图及侧视图)见图2，拉杆结构的示意图(俯视图)见图3。

图2 门架结构示意图

图3 拉杆结构示意图

2 有限元模型

2.1 结构模型

建立模型时采用三维板梁组合单元。门架和拉杆结构采用平面四边形板单元描述板格和腹板；局部过渡区域采用三角形板单元，内部横筋板和纵筋板采用板梁单元组合的力学模型。

有限元模型的全局坐标Coord0系为直角坐标系，轴由艉部指向艏部为正，轴由右舷指向左舷为正，轴垂直向上为正。门架模型上端支座和拉杆支座建立局部坐标系。

2.2 边界条件

模型中门架根部支座和拉杆根部支座的局部坐标约束所有线位移，以及约束纵向和垂向角位移。

2.3 计算载荷

门架结构强度分析，主要考虑的是铺管船在风浪中航行和作业时所受的各种外载荷对门架结构强度的影响。按照中国船级社《船舶与海上设施起重设备规范》(2007)(以下简称《船起规范》)规定，门架及拉杆结构属于普通起重机(重型起重机)类。根据《船起规范》3.2.2规定，应考虑如下几种力和载荷：基本载荷；由船舶倾斜所产生的力；风力与环境的影响。

由于铺管船长度小于4倍的船宽，根据《船起规范》3.2.10、3.2.11及3.2.14条的要求，主要考虑以下5种工况：无风吊重2 700 kN，横倾3°，纵倾2°；横向风吊重2 700 kN，横倾3°，纵倾2°；纵向风吊重2 700 kN，横倾3°，纵倾2°；横向风吊重1 800 kN航行，横倾16.4°；纵向风吊重1 800 kN航行，横倾16.4°。

(1)门架及拉杆质量载荷

有限元计算得到门架重量为389 kN，实际重量共450 kN，调整模型属性密度为8 600 kg/m。

有限元计算得到单根拉杆重量为97 kN，实际重量为100 kN，调整模型属性密度为8 095 kg/m。根据《船起规范》，门架属于浮式起重机，取作业系数=1.05，起升系数=1.10。

(2)基本载荷

工作时门架受到向下拉力约2 700 kN，受力点距艉封板24 m,则门架上端支座受沿钢丝绳方向的拉力约2 700 kN×24 m/17.8 m=3 640 kN。考虑作业系数、起升系数，实际加载在模型中的拉力为4 200 kN。

航行时受到向下拉力约1 800 kN，受力点距艉封板18 m,则门架上端支座受沿钢丝绳方向的拉力约1 800 kN×18 m/17.8 m=1 820 kN。考虑2倍垂向加速度，实际加载在模型中的拉力为3 640 kN。

该力以MPC加载形式加载于6个吊耳位置。

很显然，通过并购来提高行业的集中度符合行业发展的规律，也符合国家转型升级的战略发展方向。早已看透这一点的人必然要抢先一步，占领先机。

(3)载荷汇总

横向风作业、横向风航行工况下的门架的载荷的分向加速度汇总见表1～表2。其余工况计算过程类似。

表1 横向风作业工况下的载荷分向加速度 单位：m/s2

表2 横向风航行工况下的载荷分向加速度 单位：m/s2

(4)拉杆受力分析

计算得到门架模型中拉杆底端沿拉杆方向的约束反力，将各工况下两侧拉杆计算较大值作用于拉杆模型的上端部，取靠舷侧的一侧拉杆的值。

3 结果分析

(1)许用应力衡准

根据《船起规范》3.2.16.1条，起重机构件许用应力[]按下式算得：

(2)应力计算值汇总

门架结构、拉杆的有限元分析中最大应力结果汇总见表3和表4。

表3 门架结构各种工况下D36钢材的最大计算应力表 单位：MPa

表4 拉杆结构各种工况下D36钢材的最大计算应力表 单位：MPa

(3)应力云图汇总

门架结构和拉杆的应力云图见图4～图9。

图4 门架所有板单元最大相当合成应力(单位：Pa)

图5 拉杆所有板单元的最大相当合成应力(单位：Pa)

图6 门架所有梁单元的最大拉应力(单位：Pa)

图7 门架所有梁单元的最大压应力(单位：Pa)

图8 拉杆所有梁单元的最大拉应力(单位：Pa)

图9 拉杆所有梁单元的最大压应力(单位：Pa)

4 结论

(1)采用有限元软件模拟门架系统结构，对铺管船在各作业及航行工况下进行计算分析，能够更有效地校核结构强度；通过应力云图分析更好优化门架系统结构设计。

(2)在不影响主船体其他结构情况下，该铺管船的门架改造方案满足了用户的使用要求，顺利完成船舶用途转换。