83．8 m平台支持船总纵强度分析及结构优化研究

刘 磊，王甫超

(1．江苏省镇江船厂(集团)有限公司，江苏镇江212002;2．江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003)

0 引言

平台支持船作为重要的海洋工程装备，为石油平台提供物质支持和作业服务，是海洋资源勘探开发的基础和支撑性设备。随着平台支持船向功能综合化、船型多样化和船体大型化方向发展，国际海事组织和各大船级社对平台支持船的稳性和耐波性、操纵性以及安全性提出了更高的要求。

本文以83．8 m平台支持船为研究目标，在全船有限元结构分析的基础上对船舶提出结构优化方案，并修改有限元模型，进而再次评估船舶总纵强度［2］，最终满足美国船级社(ABS)规范的要求。

1 实船有限元模型

平台支持船主要尺度为:总长83．800 m，垂线间长 76．013 m，型宽18．000 m，型深 8．400 m，设计吃水 6．800 m，肋距 0．700 m/0．600 m。

本船船底板厚度10 mm;舷侧外板厚度首部10 mm，尾部8 mm;中部区域舷顶列板为20 mm，其余为12 mm;横舱壁8 mm;纵舱壁上方10 mm，下方8 mm。平台支持船以及横向剖面的有限元模型分别如图1、图2所示。

图1平台支持船有限元模型

图2 横向剖面有限元模型

2 总纵强度校核

2．1 边界条件

本文研究船舶结构的应力分布情况，边界条件采用惯性释放的方法，即在船舶结构上施加一个虚拟的约束反力以此来确保结构的合力平衡。对于这种虚拟支座，软件第一步计算每个节点在每个方向上的加速度，第二步将加速度转化为惯性力反向施加到相应的节点上，由此构成一个平衡力系，最终计算出所有节点相对于该支座的相对运动［2］。为了消除刚体位移，对平台支持船边界条件采取惯性释放。本船惯性释放点位于节点8 159。

2．2 载荷及载荷施加

2．2．1 工况

根据平台支持船稳性计算书的相关要求，并且计入波浪对船体的作用，该船的计算工况主要分为12种。其工况情况具体如下:

工况1:满载出港—(波峰位于船中);

工况2:满载出港—(波谷位于船中);

工况3:满载到港—(波峰位于船中);

工况4:满载到港—(波谷位于船中);

工况5:压载出港—(波峰位于船中);

工况6:压载出港—(波谷位于船中);

工况7:压载到港—(波峰位于船中);

工况8:压载到港—(波谷位于船中);

工况9:最大甲板载荷出港—(波峰位于船中);

工况10:最大甲板载荷出港—(波谷位于船中);

工况11:最大甲板载荷到港—(波峰位于船中);

工况12:最大甲板载荷到港—(波谷位于船中)。

平台支持船舶的计算载荷主要有舷外水压力、货物重量和船舶结构自重等。

2．2．2 舷外水压力

分别计算各航行工况下，波谷在船中和波峰在船中的情况，然后计算出船舶两侧的实际波高分布情况，最后将计算得到的舷外水压力加载到船体外侧湿表面的有限元单元上［5］。

对于船长不足150 m的船舶，波长λ取船长尺度。计算波高 h0取1/20波长用于计算波浪弯矩［6］。波浪形式取规则余弦波。不同航区的计算波高h0和计算波长λ0分别按式(1)、式(2)计算:

式中:λ 为波长，λ =76．013 m。

经计算，h0=3．80 m。

式中:L为垂线间长，L=76．013 m。

经计算，λ0=2．87 m。

最终计算波长取为2．87 m。

2．2．3 货物重量

船舶货物重量按照稳性计算书的要求施加。以满载出港(冰)为例，货物包括:水泥556．4 t，燃油884．8 t，淡水 596．1 t，甲醇 257．2 t，杂物 56．7 t，泥浆 1 775．8 t，压载水 63．2 t，潜水箱 368．8 t，人员40 t，冰体 72．5 t。

2．2．4 有限元计算结果

通过有限元软件分析，得到船舶的计算应力云图，其应力云图如图3所示。

整理不同工况下甲板、船底板、外板和横纵舱壁的计算情况，其结果见表1。

从图3、表1中可以看出:

(1)经过数值模拟全船计算分析，甲板、船底板、舷侧外板以及内部各构件的计算结果都小于许用值，即船舶结构强度满足规范要求。

(2)通过应力云图可以发现，全船结构的应力集中主要分布在舷侧以及艏部底部区域，跟所受到的载荷有关。

(3)边界条件采用惯性释放。采用这种方式可以避免约束集中的情况，能够详细反映整船的真实情况。但是值得注意的是，模型上施加的重量跟实际船的重量要保持一致。

(4)甲板和船底受到的最大应力为248 MPa，裕度为23%;舷侧外板最大应力为237 MPa，裕度为26%;横纵舱壁最大应力为202 MPa，裕度为37%。可见整船结构强度离许用值还有一定差距，因此可以对船体板材进行结构优化。

图3 平台支持船不同位置应力云图(工况1)

表1 各构件计算应力汇总表

3 结构优化后的总纵强度分析

3．1 优化措施

本节提出平台支持船的结构强度优化措施用以改善原始的船舶结构，最终再次评估船舶的局部强度［7］。改善措施:横纵舱壁在厚度上作相应调整，中部横舱壁8 mm变为6 mm，纵舱壁上方10 mm变为9 mm;舷侧外板由原来12 mm变为10 mm。具体施加部位如图4所示。

3．2 计算结果

对改进后的结构进行有限元直接计算，校核其强度，计算结果见表2。其中，以最危险工况满载出港为例，计算工况分为以下2种:

计算工况13:满载出港—(波峰位于船中)计算工况14:满载出港—(波谷位于船中)

图4 优化措施

表2 各构件计算应力汇总表

3．3 优化后结构分析

本节借助于MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN对平台支持船改进后的结构连接强度进行有限元分析。在边界条件处理、载荷外力施加等内容不发生变化下建立有限元模型并进行强度计算分析。

主要分析如下:

(1)通过有限元计算分析发现，工况13和工况14处的甲板、船底、舷侧外板和舱壁板的应力计算值要比工况1和工况2计算出的结果要大，同时所有结构的计算值均小于许用应力。这一情况说明改进后的结构强度依然满足规范要求，更重要的是能够减轻船体重量。

(2)有限元计算分析能够全面地反映出整条船的结构强度，这也为设计和建造奠定基础。同时可以对船舶进行结构改进和优化，然后进行结构强度分析研究，最终优化船舶结构设计。

4 结论

通过有限元软件 MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN进行总纵强度分析计算，在应力分析的基础上，调整船舶结构，降低船体结构应力，优化船舶结构;经过有限元模型计算后，优化后的全船结构最大应力相对优化前降低明显，所有工况下主船体各部分的应力计算值均小于许用应力，船体结构应力分布较为均匀，达到了支持船结构优化设计的要求，在结构强度满足规范要求的前提下，减轻了船体的结构重量。

［1］ 高茂进．108 m甲板货船总纵强度直接计算分析［J］．江苏船舶，2014，31(3):12-13．

［2］ 杨代盛．船舶强度与结构设计［M］．北京:国防工业出版社，1992．

［3］ TROMANS P S，ANATURK A R，HAGEMEIJER P．A new model for the kinematics of large ocean waves-application as a design wave［C］//The First International Offshore and Polar Engineering Conference．International Society of Offshore and Polar Engineers，1991．

［4］ TAYLOR P H，JONATHAN P，HARLANG L A．Time domain simulation of jack-up dynamics with the extremes of a Gaussian process［J］．Journal of vibration and acoustics，1997，119(4):624-628．

［5］ 刘磊．内河甲板驳船的加宽改装结构强度研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工程大学，2013．

［6］ FONSECA N，SOARES C G．Comparison of numerical and experimental results of nonlinear wave-induced vertical ship motions and loads［J］．Journal of Marine Science and Technology，2002，6(4):193-204．

［7］ 盛振邦，杨尚荣，陈雪深．船舶静力学［M］．北京:国防工业出版社，1992．