基于CAD/CAE协同设计的海洋工程陆地建造方案设计

2021-10-26庞煌炜刘景生

工程技术研究 2021年13期

庞庆，庞煌炜，刘景生

1.深圳赤湾胜宝旺工程有限公司，广东深圳 518068

2.重庆水泵厂有限责任公司，重庆 400033

海洋工程结构陆地建造的普遍方法是将整个结构按一定的规则和方法分解为多个分片或分结构体，这些分片或分结构体在地面上预制完成后在履带吊机的协助下，再以一定的顺序完成组装。海洋工程结构外型尺寸和重量都比较大，如导管架（组块）重量一般在几千吨到几万吨之间，每个分片或分结构体重量也在几十吨到几百吨之间，因此从规范和安全的角度考虑，都要对结构进行强度校核。基于CAD/CAE协同设计理念，在已建立的CAD模型基础上，采用Workbench对板壳组成的复杂结构体进行强度校核，更加快捷和高效。

1 分析思路和方法

打开Workbench有限元软件读取已建立的三维实体文件并完成实体修改，用抽壳命令将实体单元转换成壳单元。由于海洋工程结构的焊缝为溶透焊，将壳单元的连接设置成边对边和边对面的刚性连接方式，既可以选择程序自动产生刚性配对连接，又可以手工选择配对连接，另外这些配对连接可以编辑、修改和删除，以模拟出符合实际的结构。划分单元，也就是把所有的壳单元网格化，根据结构的复杂程度和计算规模要求可以设定网格的尺寸大小形状，一般选默认即可，如果需要也可以再细化局部网格。完成上述工作后就可以输入载荷和边界条件，然后确定需要的输出内容，比如剪应力、第四强度等效应力、整体变形等，运算后就可得到需要的计算结果。

2 工程实例

2.1 滑靴优化设计

滑靴是一种组合箱型结构，由各种厚度不同的钢板焊接而成。滑靴作为承载和滑动的一种结构体，既要承载陆上建造过程中导管架（组块）产生的重力载荷及滑移装船时整个导管架（组块）产生的动载荷，同时还要承受海上运输时各种环境载荷，因此滑靴传统上设计得很保守。

按详细设计计算报告单个滑靴承载重力载荷为864t，拖点拉力为182t。经加载计算后，在保证滑靴的强度条件下，将同样承载吨位的单个滑靴结构净重从35t减少到15t，共减少钢材用量160t（共8个滑靴）。滑靴剪应力分布云图如图1所示，其最大剪应力为118.4MPa。滑靴等效应力分布云图如图2所示，其最大等效应力为213.3MPa。按《钢结构设计规范》（GB 50017—2003），优化设计后的滑靴结构强度符合要求。

图1 滑靴剪应力分布云图

图2 滑靴等效应力分布云图

2.2 导管架裙桩套筒组件吊装

裙桩套筒组件吊装重量为362t，在地面预制完成后需用3台吊机联合作业将裙桩套筒组件吊起就位于离地面约84m的高空结构中。裙桩套筒组件吊点设计如图3所示，其中吊点1为钢丝绳直接兜管的连接方式，吊点2和吊点3的连接方式为钢丝绳通过卡环连接板吊耳（板吊耳焊接在本体结构上），吊点1和吊点2所在的本体结构为厚壁管其结构强度按以往应用经验是可靠的，吊点3则位于下轭板（板厚70mm）上，目前还没有应用经验证明在该处焊接板吊耳的方法是否可行，因此有必要对结构整体进行吊装强度校核，以确认吊点的布置符合结构的强度要求。裙桩套筒组件剪应力分布云图如图4所示，其最大剪应力为25.3MPa。裙桩套筒组件吊装等效应力分布云图如图5所示，其最大等效应力为45.0MPa。按《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）裙桩套筒组件整体吊装强度符合要求，从这个角度说明吊装方案设计是可靠的。