钻井船60 t格子吊吊臂托架结构强度有限元分析

王初龙

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

钻井船60 t格子吊吊臂托架结构强度有限元分析

王初龙

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

利用有限元软件MSC.Patran&Nastran，对某钻井船尾部60 t格子吊吊臂托架结构强度进行了有限元分析，介绍了有限元分析模型的建立、边界的设立以及载荷的计算选取，并对计算结果进行了分析。

钻井船；吊臂托架；结构强度；有限元分析

0 引言

随着对海洋资源勘探与开发的深入，作为勘探重要设备的钻井船，其作业水深逐步增加，适应海况也逐步扩大。因此，船用起吊设备承担的任务越来越重，作业半径也相应增大。由于船上设备布置极为紧凑，为了防止与其他设备发生碰撞，通常吊机都设计得较高。在这种情况下，用于存储吊臂的托架也同样设计得较为高大。由于船舶在波浪中运动时，随着垂向高度值的增加，运动加速度也相应变大，这就要求在恶劣的海况下托架有足够的强度来存放吊臂。

本文根据ABS船级社《Mobile Offshore Drilling Unit 2012》[1]和《Rules for Building and Classing Steel Vessels 2012》[2]的有关要求，采用通用有限元分析软件MSC.Patran&Nastran[3]，对该某钻井船尾部60 t格子吊吊臂托架结构进行了结构屈服强度分析。

1 概况

格子吊在存放时，吊臂朝艏沿船长方向水平放置在托架上部的凹槽中。格子吊及托架布置示意图及吊臂存放截面示意图1和图2所示。

格子吊主要尺度：起吊重量为 60 t；总重为～147.5 t；吊臂及钩头、绳索等为～46.5 t。

托架尺寸为：总长为4.33 m；总宽为3.82 m；总高为14.84 m。

2 有限元模型

2.1 模型的建立

根据规范要求[1]，采用局部立体结构模型时，以托架有效作用平面矩形（a×b）形心为中心，向四周分别扩展至少一倍的该矩形相对应的长、宽距离（3a×3b）。垂向从托架底面扩展至甲板之下的第一个平台甲板或至少D/4处（D为型深）。如按上述方法框取的模型边界上未设置结构的主要支撑构件，则模型应再延伸至边界落在结构的主要支撑构件上。

总体坐标系取右手直角坐标系，其中，x轴：沿船长方向，向艏为正；y轴：沿船宽方向，左舷为正；z轴：沿型深方向，向上为正。

考虑到局部分析且该区域应力较高，本模型网格板单元尽量采用正方形，网格大小取1/4骨材间距，为 175 mm×175 mm；各构件适用单元类型[3]如下：

1）板单元：甲板、舱壁、托架与甲板连接处结构（包括管子和肘板）、托架上部凹槽结构、其余肘板、扶强材及垂直桁的腹板。

2）梁单元：托架其余构件。

3）杆单元：扶强材及垂直桁面板。

4）在托架结构中，梁单元与板单元之间采用多点约束单元（MPC）来进行过渡。

有限元模型如图3所示。

2.2 边界条件

甲板与舱壁的边界处采用简支，即δx=δy=δz=0。

2.3 材料属性及力学性能

本模型中船体结构以及托架中所有板材均为高强刚HT36，而托架中选用的管材均为API5L X52，其主要属性及力学性能参数如表1所示[2]。

表1 材料属性及力学性能

在实际建模时，考虑到托架上的舾装结构不影响结构强度而被省略，因此，质量密度可以放大1.1倍，即8.635×10-6kg/mm3。

2.4 载荷及工况

本托架所承受的载荷主要为：

1）吊臂传递的载荷，包括由船舶运动加速度引

起的惯性力、重力及风载荷；

2）托架自重；

3）托架自身由于船舶运动加速度引起的惯性力；

4）托架自身承受的风荷。

除托架所受载荷以外，船体结构甲板上还存在甲板载荷，也应计入分析。

2.4.1 吊臂传递的载荷

根据设备商提供资料，在考虑运动加速度、风力、自重及托架支撑位置等因素的情况下，吊臂传递给托架各个方向的载荷最大值如表2所示。

表2 吊臂传递载荷

2.4.2 托架自重

本模型中，自重采用惯性载荷施加方法，取模型整体重力加速度为9.81 m/s2。

2.4.3 托架惯性载荷

还去大连？你是不是还想着付玉？我怕你再和付玉搅合在一块儿，这个女人可不是个好东西，你让她害的还不够？可别鬼迷心窍。再说，你爹娘是在大连出的事，咱要去那儿，不是心里不舒服吗？

各方向惯性载荷的计算可根据规范进行计算，或者依据设备商提供的吊臂所受惯性载荷资料进行选取。为保守起见，取两者中大值进行分析。规范计算值和设备商提供值如表3所示。

表3 惯性加速度

2.4.4 托架风载荷

根据规范要求[1]，托架所承受风载荷根据下式进行计算：

式中，f为0.611；Vk为风速度，取51.5 m/s；Ch为高度系数，取1.1；Cs为高度系数，取1.5。

根据以上参数，并计及托架x向和y向的受风面积（Ax,Ay），托架所受风载如表4所示。

2.4.5 甲板载荷

根据该船技术规格书，该区域甲板载荷为5 t/m2。

2.4.6 工况设置

根据以上载荷，选择表5中四种组合工况进行计算。

表4 托架风载荷

表5 计算工况

3 计算结果及分析

3.1 许用应力

根据规范要求[1]，动载工况下，各构件的屈服强度许用应力按式(2)计算。

式中，σs为材料屈服强度，MPa；n为安全系数。板单元Von Mises应力取1.1，剪应力取1.88；梁/杆单元应力（杆单元为轴向应力，梁单元为组合应力）取1.25。

则各材料的许用应力见表6。

3.2 计算结果及分析

经计算整理，各工况下托架及船体结构的应力结果汇总如表7和表8所示。

表6 许用应力（单位：MPa）

表7 船体结构应力汇总（单位：MPa）

各工况下托架及船体结构的应力云图见图 4～图10。

表8 托架结构应力汇总（单位：MPa）

从应力结果可以看出，船体结构和托架本身均满足规范屈服强度的要求，且有一定余量。

对于托架下面的船体结构，无论是板单元还是梁单元，高应力区域都集中在托架支柱下方和边界处。对于边界处的高应力，符合圣维南原理，实际情况中，边界为舱壁或强构件，实际应力要小于计算值；对于托架支柱下方的甲板结构，由于圆形结构不能与之很好对位，所以为避免应力集中，需要支柱四周有足够臂长和厚度的肘板来降低应力集中的影响。

对于托架结构而言，应力较高的地方主要是凹槽侧面围板根部、支柱与凹槽连接处，下端肘板与支柱连接处，以及最上面的水平连杆，这主要是由于托架较高且吊臂水平传递载荷较大的缘故。这些应力较高点可以通过增加肘板或加大肘板的形式来减小应力幅值。

4 结论

根据规范对钻井船60 t格子吊吊臂托架进行了有限元强度分析，得到了工况下托架结构在组合载荷下的工作应力，由结果可知该托架满足强度要求，并通过应力云图对该结构的高应力区域进行了分析。

[1]刘兵山, 黄聪.Patran从入门到精通[M].北京: 中国水利水电出版社, 2003.

[2]ABS.Mobile Offshore Drilling Unit 2012[S].2012.

[3]ABS.Rules for Building and Classing Steel Vessels[S].2012.

Finite Element Analysis of Boom Rest Structural Strength of 60 t Lattice Boom Crane for Drillship

WANG Chulong
(COSCO Shanghai Shipyard Co., Ltd., Shanghai 200231, China)

Finite element analysis of boom rest structural strength for drillship 60 t lattice boom crane is carried out by MSC.Patran&Nastran.Establishing FE model, choosing boundary condition and calculating of loads are introduced, and the results are analyzed.

drillship; boom rest; structural strength; finite element analysis

U674.38+1

A

10.14141/j.31-1981.2017.04.006

王初龙（1985—），男，硕士，助理工程师，研究方向：船舶与海洋工程结构设计与分析。