单点系泊系统旋转甲板的强度分析*

武汉第二船舶设计研究所 武汉 430070

1 研究背景

单点系泊系统是一种特殊的海洋工程装备，主要作用是通过缆绳或特定结构将浮体系泊在一定的海域，同时使浮体可以绕系泊点作360°回转，并且可以将浮体的油、气、水和电信号等输入海底管线，或将海底管线的信号输送至浮体［1-2］。旋转塔台是单点系泊系统连接固定结构和旋转结构的关键部件，它承载着被系泊装置在风浪流等状况下通过系泊刚臂传递的载荷，还能绕导管架中心旋转。

旋转塔台总体结构如图1所示，主要组成部分包括轴承座、主立柱、旋转甲板及吊机安装座等。在单点系泊系统中，旋转甲板是重要的受力部件，其中系泊头挂钩由于受到交变载荷的作用，极有可能发生疲劳损坏，所以对旋转甲板进行强度分析很有必要，这有利于对其结构进行优化处理［3-4］。笔者通过简化模型分析旋转甲板的受力情况。

2 旋转甲板模型

对旋转甲板建模，导入ANSYS Workbench软件进行计算分析［5］。当旋转甲板所受系泊力最大值时，校核旋转甲板结构相应的强度。为了便于计算分析，对模型进行简化，将支座内圈与转盘轴承的连接简化为固定接触。结构材料弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3。

由于旋转甲板的结构较为复杂，应用ANSYS Workbench软件Static Structural模块进行受力分析，校核结构强度。旋转甲板网格划分模型如图2所示，其中，有限元模型采用实体单元来划分网格，网格由四面体与六面体构成，不带销轴和压盖时，模型共有279 103个节点、80 009个单元，带销轴和压盖时，模型共有312 927个节点、98 929个单元。

3 模型加载

旋转甲板主要承受软管甲板的质量，并通过四根立柱传递到旋转塔台，作用在相应的环形孔面上。每根立柱承受力为250 kN，吊机安装座的重力约为300 kN，另外额外承受横向和纵向系泊力分别为3 000 kN和1 750 kN，作用在系泊头挂钩处。旋转甲板整体与桁架主轴焊接在一起，对旋转甲板下端环形面进行固定，作为变形的参考，挂钩处以轴承载荷进行加载。

▲图1 旋转塔台总体结构

▲图2 旋转甲板网格划分模型

4 强度分析

4.1 不带压盖和销轴

通过求解计算，在极端海况下，旋转甲板不带压盖和销轴时变形量和应力分布如图3所示，相应的挂钩局部变形量和应力分布如图4所示［6］。

由图3和图4可知，旋转甲板的最大变形量达到2.36 mm，完全在钢结构件可承受的范围之内（<5.5 mm）［7-8］。由系泊力产生的轴承载荷在挂钩处的应力为100 MPa左右，最大应力出现在挂钩与中心筒体焊接的部位，达到268 MPa，小于相应的材料屈服强度的许用应力（384 MPa）［9］，所以旋转甲板整体的结构设计是合理的。

▲图3 旋转甲板不带压盖和销轴时强度分析

▲图4 旋转甲板不带压盖和销轴时挂钩局部强度分析

4.2 带压盖和销轴

通过求解计算，在极端海况下，旋转甲板带压盖和销轴时变形量和应力分布如图5所示，相应的挂钩局部变形量和应力分布如图6所示。

由图5和图6可知，旋转甲板的最大变形量达到1.66 mm，相比于不带压盖和销轴时的变形量要小［10-11］。由系泊力产生的轴承载荷在挂钩处的应力为100 MPa左右，最大应力也出现在挂钩与中心筒体焊接的部位，达到 255 MPa，小于规范中的规定值［12］。

▲图5 旋转甲板带压盖和销轴时强度分析

▲图6 旋转甲板带压盖和销轴时挂钩局部强度分析

5 结论

通过对旋转甲板计算结果进行分析，可知旋转甲板整体受力比较合理。带销轴和压盖时，旋转甲板的最大变形量比不带销轴和压盖时的最大变形量要小0.7 mm，挂钩处的应力分布基本相同，均在100 MPa左右，最大应力均出现在挂钩与中心筒体焊接的部位，且均小于相应的材料屈服强度（384 MPa）。综合上述情况分析可知，带销轴和压盖的旋转甲板整体受力较不带销轴和压盖的情况要好，结构设计在合理范围内，这有利于旋转塔台结构的进一步优化设计。