基于瞬态方法的岸电组块装船滑道强度分析

江 锦，孙华峰，秦立成，任 涛，高 巍

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

本文以渤海某岸电工程5 000 t组块滑移装船为例，采用移动荷载对装船过程中的滑道、滑靴进行瞬态受力分析。

整个分析的难点在于载荷所加载的区域随时间而发生变化。组块在装船过程中，由于牵引绞车的拖拽，重量逐步由码头向船上转移。由于船上滑道承受压力的区域也是随着时间变化的，因此可以用施加移动荷载的方法进行瞬态受力分析。基本的分析计算过程可以概括如下：其一，建立三维模型；其二，瞬态分析前处理；其三，瞬态分析设置及边界条件；其四，瞬态分析后处理。利用ANSYS Workbench的Transient Structural模块可以对这个过程进行仿真模拟。

1 滑道及滑靴受力分析

1.1 装船过程中滑道受力工况分析

组块在装船过程中，滑道受力主要来自于上部组块的重力。组块通过滑靴向滑道传递重力，滑靴底部为木头，装船前一般在滑道表面涂抹黄油以减小摩擦。因此在滑道结构受力分析中，可以忽略相切于上表面的摩擦力，而只分析沿着上表面法向方向的力。随着组块逐步前进，滑道上受压的面积和力的大小也随时间增加，直至单腿的支撑力全部由陆地转移至滑道。提取SACS结构计算中装船工况下的支反力，见表1，以其中B2支撑点的最大值12 227.52 kN作为分析的输入条件。组块装船过程如图1所示，各支撑点编号如图 2所示[1]。

图1 组块装船过程示意

图2 支点布置编号

表1 各支点反力

1.2 滑道有限元模型建立

根据图纸建立滑靴模型和滑道模型，见图3。为了校核滑道在滑靴移动过程中的受力状况，建模时将滑靴摆在初始位置。滑靴长10 m，单节滑道长12 m。

图3 三维实体模型

利用Workbench进行网格划分时，系统自动为模型指定了Solid187单元。Solid187单元为高阶3维10节点固体结构单元，具有二次位移模式，可以更好地模拟不规则模型。滑靴和滑道之间利用接触单元进行模拟，采用的单元分别是CONTA174单元和TARGE170单元，见图4。接触类型设定为Frictional，摩擦系数按DNVGL规范（见表2） 中给定的数值取值，取0.15。

表2 DNVGL规范中摩擦系数取值

图4 滑靴和滑道接触

接触面定义了滑靴和滑道之间的相互作用，在接触面上采用相同的网格密度有利于分析结果更快收敛。在网格的局面控制中，单独增加Contact Sizing控制模型以在接触面上产生大小一致的网格。对滑靴顶面施加向下的力，在滑道底面施加固定约束，对滑靴的左端面施加一个2.0 m的位移约束，建立如图5所示的有限元模型。

图5 三维实体有限元模型

1.3 计算方法及参数设置

本文研究的计算方法使用了瞬态动力学分析，目的在于确定在受随时间变化荷载作用下的结构的动力学响应，分析过程涉及了非线性特征。完全法采用完整的系统矩阵计算瞬态响应，计算结果显示，采用完全法完成瞬态动力分析，在三种分析方法（即完全法、缩减法、模态叠加法）中，其功能最强，可包括各类非线性特性，利用ANSYS Workbench进行分析时，需要打开结构大变形的影响[2]。

积分时间步长的大小既影响计算效率，又影响瞬态动力分析的精度和收敛性。时间步长越小，精度越高。太大的积分时间步长会影响较高阶模态的响应，从而影响计算精度。自动时间步长可按响应频率和非线性效果自动调整求解期间的积分时间步长，对于非线性分析，自动时间步长还会适当地增加荷载，并在达不到收敛时回溯到先前收敛的解。计算时利用Auto Time Stepping激活自动时间步长，具体的时间步设置如表3所示[3]。

表3 瞬态分析计算参数设置

1.4 计算结果分析

在组块腿支反力和位移约束的作用下，滑靴从滑道的左端滑动到了右端，完成了设定的计算目标，滑靴的位移计算结果如图6所示。

图6 位移计算结果/mm

分别查看滑靴和滑道的应力响应结果，滑靴在分析时长期间的应力变化如图7所示。在分析的开始阶段，滑靴的最大应力达到326.48 MPa，但是与相邻时间点的应力结果不连续，图8中所示最大应力出现在滑靴上表面钢板拼接的转角处，此处产生了应力集中，但是区域很小，不应作为校核滑靴主结构受力分析的参考应力。滑靴钢材屈服强度为355 MPa，应力最大允许值为355 MPa×0.9=319.5 MPa。从图中可以看出，滑靴受力在平稳阶段稳定在94 MPa，远小于滑靴最大许用应力[4]。

图7 滑靴受力时间曲线

图8 滑靴受力云图/MPa

单独分析滑道的受力结果如图9所示，在整个过程中，滑道受到的最大应力为200.67 MPa，最大应力的区域是随着滑靴的移动而变化的，大致位于滑靴中心位置的下方，这与实际的受力情况也非常吻合。按滑道最大许用应力为355 MPa×0.9=319.5 MPa进行校核，滑道的应力在整个滑动过程中没有超过其许用应力[5]。

图9 滑道受力云图/MPa

2 结束语

岸电组块结构质量大，滑移装船仍是一种非常重要的选择。针对滑移装船中滑靴和滑道的结构强度校核问题，采用瞬态动力分析的方法建立有限元模型，并按规范要求施加接触摩擦系数和按实际运动施加位移约束，得到了滑靴和滑道对应不同时间的应力结果，同时得出以下结论：第一，经过瞬态分析，测试项目中滑道和滑靴的结构强度满足装船要求；第二，瞬态分析方法用于滑移装船的结构强度校核具有一定优势，可以在一次分析结果中给出结构不同区域的动态应力响应。