一种用于海洋运输船舶加宽结构

韩中成 李春晓 王玉浪 梁 强 史 亮

青岛海西重机有限责任公司

1 引言

随着设备不断向大型化、特殊化转变，重型大件设备的海洋运输活动不断增加，运输所需船型难以在短周期内适应。一方面，超重或超大尺寸的设备需要整体由制造地通过海洋运输方式发运至使用地，但在目前的航运市场中，可用于海洋运输的船舶数量不足以满足此类设备运输需求，导致重大件设备无法在约定期限运输至使用地；另一方面，运输此类重大件设备一般没有常规的运输捆扎方案，必须针对不同的设备和运输船舶制定方案[1]。为此，研究重型大件在原有运输船舶基础上的运输捆扎方案，在安全运输的前题下最大化利用现有船舶资源，短期快速适应运输市场需求显得尤为重要。

2 运输设备布置方案

重型大件设备远洋运输时，设备整体结构通过行走机构竖直摆放至船舶甲板上，船甲板长度方向可摆放多台设备，提高运输效率，降低成本。但由于船甲板宽度尺寸小于大型设备宽度，导致行走机构部分落于船舶甲板之外。为此，在悬空位置增加1组外伸结构来支撑设备，加宽结构与船舶结构构成稳定三角形结构，对设备提供有效支撑，并将设备载荷传递到船舶结构(见图1)。

图1 加宽结构示意图

采用上述加宽方案后，甲板布置见图2。船舶和加宽结构构成的整体满足了设备运输所需的甲板基本尺寸要求，但其结构强度还需要进一步通过仿真计算进行验证。

图2 加宽后布置图

3 有限元方法建模与分析

有限元模型包括运输船舶舱段模型、运输设备模型。对运输设备模型进行结构计算并获得其与船体连接处的载荷数据，再将载荷加载至船舶舱段模型内对船舶结构进行分析[2]。

3.1 方案设计基础

本方案中结构材料属性见表1。

表1 结构材料属性

加宽结构的设计依据API RP 2A-WSD和AISC钢结构设计规范，对于板梁框架结构，取Von-Mises应力进行强度校核。

3.2 结构有限元模型

有限元分析应覆盖整船区域内结构性能，在本方案中考虑设备在船舶甲板上的布置情况，选取典型位置进行结构分析[3]。船舶有限元模型在沿船长方向建立了部分舱段模型，并整合加宽结构及甲板轨道梁(见图3)。模型的边界条件设为船舶底板面进行固定约束。

图3 舱段有限元模型

3.3 载荷计算和工况选取

船舶运载设备在海上航行时，一方面在重力作用下，船舶甲板对设备有承载力；另一方面由于风和海浪等因素会导致沿船宽和船长方向的摇摆，从而对运输设备产生额外作用力[4]。根据CCS-海上拖航指南，在不同工况组合下，对于运输设备进行结构分析，并提取设备对船舶结构的作用力组合，施加至船舶有限元模型内进行结构分析。

3.3.1 设备载荷计算参数

依据运输设备船舶的船型数据，计算出设备的横摇角度、横摇周期、纵摇角度、纵摇周期和摇心位置(见表2)。

表2 设备海运参数

依据以上参数，根据CCS-海上拖航指南计算出设备有限元模型的基础输入参数(见表3)。

表3 设备模型输入参数

3.3.2 载荷组合工况

由横向、纵向垂荡3个方向加速度及风载荷组合出20个工况对设备进行计算(见表4)。

表4 工况组合表

3.3.3 载荷施加

采用上述工况对设备进行有限元分析，提取设备与船舶连接4处支反力，以均布的方式施加在船舶模型中，进行有限元分析(见图4)。

图4 施加载荷

3.4 计算结果分析

船舶结构分为板结构和梁结构，板结构分为加宽处板结构和非加宽处板结构。对20个工况进行计算分析，根据计算结果得到应力最大的组合工况为最危险工况，将该工况下的应力值与船舶板结构、船舶梁结构和加宽结构的材料许用值进行比较分析。

根据有限元计算结果，板结构最大应力为206.2 MPa，梁结构最大应力为200.4 MPa，加宽结构最大应力为289 MPa。汇总计算结果数据，可得本方案对船舶结构加宽设计，在最危险组合工况下船舶结构和加宽结构均满足规范要求(见表5)。

表5 应力结果汇总

4 结语

本方案为重大件特殊设备的海洋运输提供了一种新的设计思路，通过有限元仿真分析验证了方案的可行性，可降低设备运输的船舶成本，有效地解决海运市场短期内供求不平衡的问题。