钻井船生活区模块整体吊装有限元分析

周　庆，李风波，向小斌，徐　辉

(1.上海中远船务工程有限公司，上海 200231；2.大连中远船务工程有限公司，辽宁 大连 116113)



钻井船生活区模块整体吊装有限元分析

周庆1，李风波2，向小斌1，徐辉1

(1.上海中远船务工程有限公司，上海 200231；2.大连中远船务工程有限公司，辽宁 大连 116113)

为保证对总重近1 500 t的钻井船生活区模块整体吊装顺利进行，采用MSC. Patran/Nastran软件进行有限元分析，计算载荷按照GL-Noble Denton规范选取，计算得到生活区模块的结构响应，分析中模拟钢丝绳索具，从而能更准确地计算吊耳的应力和变形，同时还能够得到浮吊的每个钩头的实际载荷，保证单个钩头载荷不超载。

生活区模块；整体吊装；强度分析；有限元

大型海洋工程船舶和平台项目的生活区通常采用模块化的建造方法，以提高预舾装率和建造进度。近年来随着船厂吊装设备能力的提高和吊装工艺的逐步改进，生活区模块的整体吊装在海洋工程建造中的应用越来越广泛。但由于生活区模块在结构分类上一般属于次要结构，结构强度和刚性设计的相对较弱，因此如何检验吊装方案的安全性成为一个关键问题。近年来，已有相关的文献述及应用有限元法对吊装过程进行数值仿真分析[1-2]。本文依据GL-Noble Denton规范[3]，利用有限元软件MSC. Patran/Nastran计算校核某钻井船生活区模块整体吊装时的应力和变形，并且在有限元模型中模拟了32根吊索，不但使得吊耳的强度计算更加准确，而且可以计算校核浮吊的每个钩头的实际分担载荷。

1　生活区模块参数和有限元模型

1.1生活区模块结构形式

该钻井船生活区模块共七层，整个模块长29.3 m、宽34.0 m、高22.4 m。整个生活区结构均采用普通船用钢建造，许用应力为235 MPa，其中，吊耳和加强结构采用AH36高强度钢建造，许用应力为355 MPa，材料密度ρ=7 850 kg/m3，弹性模量E=206 GPa，泊松比v=0.3，整个模块的重量重心见表1。

表1　重量重心

1.2吊装方案设计

对该生活区模块采用2 000 t浮吊吊装，该浮吊有4个500 t主钩，相对应的在模块上共布置了4组吊点，每组8个吊耳，一共32个吊耳。吊耳布置于生活区艏艉两侧，艏部两组吊耳以前围壁的上端为眼板，此处前围壁的板厚增加到30 mm，加上颊板，吊耳眼板的总厚度达110 mm，艉部两组吊耳采用D型吊耳，布置在后围壁上，吊点布置见图1。

图1　整体有限元模型及吊点布置

1.3有限元模型

通过MSC. Patran大型有限元计算软件建立整个生活区模块的结构有限元模型，整体模型见图1。甲板、舱壁、纵桁及横梁的腹板采用板单元，纵桁和横梁的面板、甲板纵骨及舱壁扶强材等采用梁单元，钢丝绳用杆单元建模。总体网格尺寸为350 mm×350 mm，即每一纵骨间距2个单元，吊耳附近区域细化网格长、宽均为43.75 mm，细化网格局部模型见图2。

图2　显示板厚的吊耳局部模型

1.4坐标系、边界条件及载荷工况

坐标系定义：采用右手法则，定义FR0与基线和中线的交点为坐标原点，x轴为沿船长方向，指向船艏为正，y轴为沿船宽方向，指向左舷为正，z方向向上为正。

边界条件。所有吊点钢丝绳索具末端约束x,y,z3个方向位移，另外在有限元模型通过理论重心的横向截面和纵向截面上分别选取2个节点，一个节点位于横向截面上，约束其纵向位移，另一个节点位于纵向截面上，约束其横向位移。增加这2个节点约束是为了增加整体模型的约束度，避免计算中出现约束不足的情况，计算结果也显示这两个约束节点的支反力都非常小，不会影响整体结构分析的准确性。使用杆单元模拟钢丝绳索具是为了计算钢丝绳的拉力，从而计算4钩头浮吊每个钩头的实际分担载荷，防止单个钩头超载。见图3。

图3　边界条件

载荷工况。计算中载荷就是被吊物的重量，表1中的结构重量由软件根据模型自动生成，其他分项重量通过质量单元分层施加在生活区模块各层甲板上。根据GL-Noble Denton规范，吊装有限元计算需要考虑动态放大、重心偏移、索具偏差等各种载荷修正系数，具体载荷系数见表2。

综合表2中规范给出的各项载荷系数，生活区模块结构可分为吊耳结构、吊点支撑结构、其他结构3类，不同分类结构对应不同的载荷系数，其中吊耳结构的载荷系数最大为1.67。对应3种载荷系数，设定了3种计算工况，载荷分别为模块重量乘以相应的载荷系数，这3种工况分别用于计算校核相应的3类结构，具体见表3[5]。

表2　吊装载荷系数

表3　载荷工况

2　有限元计算

根据GL-Noble Denton规范，采用许用应力法进行吊装计算，在考虑吊装载荷系数情况下，材料系数取为0.75，普通钢许用应力为176 MPa，AH36高强钢的许用应力为266 MPa， 计算所得各工况下各个结构部位的最大应力和变形结果见图4～8所示。

图4　LC101 生活区模块整体应力分布

图5　LC101 生活区模块整体变形

图6　LC102吊点支撑结构应力分布

图7　LC103 艉侧吊耳应力分布

图8　LC103 艏侧吊耳应力分布

3　结果分析

整理各工况下各结构部位的最大应力和变形结果见表4，由结果可见，各工况下对应结构应力均未超过GL-Noble Denton规范要求[3]。

表4　最大应力与变形

最大应力173 MPa发生在吊耳眼板上，在吊耳及支撑结构以外其他区域，如图9所示，最大应力发生B甲板下一处开孔密集的舱壁区域，此处结构根据初次计算结果，经过局部加强处理后，最终的应力结果为159 MPa。

图9　LC101 吊点区域以外最大应力位置

为了校核4钩头浮吊单个钩头的载荷，使用杆单元模拟了钢丝绳，通过计算每组吊点的8根钢丝绳支反力之和，得到每个钩头的实际载荷。

由表2可知，吊装动荷载系数之和为1.29，对应计算中的LC101工况。单组吊点钢丝绳支反力结果见图10，计算得到4组吊点对应的钩头载荷见表5，由结果可见，各钩头载荷均未超过许用载荷。

表5　LC101钩头载荷　kN

图10　单组吊点钢丝绳支反力

4　结论

吊装时高应力一般发生在吊点附近区域的结构上，同时也会出现在结构开口密集的薄弱部位。有限元计算可以提前发现问题并采取加强措施，再经过有限元计算复核，以保证加强后的局部强度满足吊装要求。

[1] 李永正，王珂，郭玮.大型油船上层建筑整体吊装强度有限元分析[J].科学技术与工程，2012，36(12)：10011-10016.

[2] 王锋，汪家政.大型船舶上层建筑整体吊装技术研究及应用[J].造船技术，2011，299(1)：20-22.

[3] GL Noble Denton. Guidelines for marine lifting & lowering operation[S]. 0027/ND Rev10, 22 June 2013.

[4] 杨龙，张少雄.船体结构上层建筑设计计算中边界条件的处理[J].船海工程，2004(1)：18-20.

[5] 金忠谋.材料力学(I)[M].北京:机械工业出版社,2005(3).

[6] 中国船级社.船体结构强度直接计算指南[S].北京：人民交通出版社，2001.

FE Analysis for the Integral Lifting of Accommodation Module for Drill-ship

ZHOU Qing1, LI Feng-bo2, XIANG Xiao-bin1, XU Hui1

(1.COSCO Shanghai Shipyard Co. Ltd., Shanghai 200231, China; 2.COSCO Dalian Shipyard Co. Ltd., Dalian Liaoning 116113, China)

In order to ensure the safety of the integral lifting operation of the accommodation module for a drill-ship, the structural strength is assessed by FEA in MSC Patran/Nastran software. In the calculation, the designed loads are computed in terms of the rule of GL-Noble Denton, so as to get the structural responses under the lifting condition. The lifting slings are also simulated to accurately calculate the response of lifting pad-eyes, furthermore, the load of each hook of lifting barge can be calculated to avoid overload.

accommodation module; integral lifting; strength analysis; finite element method

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.038

2015-10-23

2015-11-09

周庆(1974-)，男，硕士，工程师

U661.43;U674.38

A

1671-7953(2016)01-0178-04

研究方向:海洋工程结构设计与计算

E-mail:zhouqing@cosco-shipyard.com