某起重鋪管船航行中的托管架綁扎校核與結(jié)構(gòu)分析

　　摘要：基于MOSES軟件，建立某起重鋪管船的船體模型及船體-托管架模型，計(jì)算船體-托管架在極限工況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，得到船體-托管架的響應(yīng)幅值算子(ResponseAmplitudeOperator，RAO)值，將RAO值導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(StructuralAnalysisComputerSystem，SACS)進(jìn)行船舶航行中的托管架綁扎校核與結(jié)構(gòu)分析。計(jì)算結(jié)果顯示，在極限環(huán)境條件下，該船的穩(wěn)性、總縱強(qiáng)度及艉部托管架結(jié)構(gòu)均滿足航行安全要求。計(jì)算方法可為同類船舶的航行安全提供參考。

　　關(guān)鍵詞：起重鋪管船;托管架;綁扎校核;結(jié)構(gòu)分析;航行安全

　　0引言

　　某起重鋪管船在上海建造，首航至印尼卡里姆。在航行時(shí)，2節(jié)托管架綁扎在甲板上，1節(jié)托管架固定在艉部鋪管作業(yè)位置，因此需要對(duì)該船進(jìn)行波浪載荷預(yù)報(bào)和托管架綁扎及其結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算。甲板貨物的綁扎系固是航行安全的關(guān)鍵點(diǎn)，一般在運(yùn)輸船的穩(wěn)性等滿足要求的前提下，良好的綁扎是保證海洋結(jié)構(gòu)物安全運(yùn)輸?shù)氖滓獥l件[1]。為保證運(yùn)輸安全，諸如美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)、挪威船級(jí)社(DNV)等在其規(guī)范[2-3]中對(duì)綁扎均有指導(dǎo)性要求。 采用MOSES軟件進(jìn)行建模，將計(jì)算得到的環(huán)境參數(shù)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(StructuralAnalysisComputerSystem，SACS)進(jìn)行托管架綁扎校核[4-5]，經(jīng)多次實(shí)踐與計(jì)算印證，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況吻合度較高。

　　1計(jì)算模型

　　該船總長(zhǎng)為199.0m，型寬為48.6m，型深為15.0m，作業(yè)甲板至基線為22.5m，設(shè)計(jì)吃水為7.5m，最大吃水為10.6m，設(shè)計(jì)航速為13kn，定位系統(tǒng)為DP3級(jí)。在艉部布置1臺(tái)起重能力為5000t的全回轉(zhuǎn)起重機(jī)，適應(yīng)水深為3000m。為得到該船在運(yùn)載托管架時(shí)的極限環(huán)境條件，應(yīng)對(duì)航行中的極端惡劣氣象海況，為航行安全提供安全預(yù)報(bào)，基于MOSES軟件建立船體模型及船體-托管架模型。

　　船體模型是為進(jìn)行靜水力計(jì)算，對(duì)比該船穩(wěn)性計(jì)算書以確定模型的準(zhǔn)確性。船體模型需要與船體設(shè)計(jì)盡可能一致，且滿足中國(guó)船級(jí)社(CCS)規(guī)范規(guī)定的誤差要求。船體-托管架模型是為進(jìn)行水動(dòng)力分析計(jì)算，按照規(guī)范及船舶設(shè)計(jì)任務(wù)書計(jì)算船體-托管架的極限運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，得到波浪作用下的船體最大響應(yīng)幅值算子(ResponseAmplitudeOperator，RAO)值[6]。采用SACS對(duì)運(yùn)輸過程中的托管架進(jìn)行綁扎校核，在MOSES軟件計(jì)算結(jié)果中得到環(huán)境參數(shù)后對(duì)艉部托管架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析[7]。綁扎在甲板上的2節(jié)托管架，在MOSES軟件中計(jì)算運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)可采用等效重量及風(fēng)面積，根據(jù)API規(guī)范，采用模塊法對(duì)有效投影面積進(jìn)行計(jì)算，從而得到相應(yīng)的風(fēng)力系數(shù)[8]。

　　艉部托管架處于待命(Stand-by)航行狀態(tài)，共4個(gè)鉸點(diǎn)，2個(gè)上鉸點(diǎn)通過連桿與液壓設(shè)備連接鎖定，2個(gè)下鉸點(diǎn)與艉部鉸鏈結(jié)構(gòu)鉸接。無論是在航行中還是在鋪管作業(yè)中，下鉸點(diǎn)均為托管架支撐點(diǎn)，是結(jié)構(gòu)分析的重點(diǎn)。艉部托管架模型及鉸點(diǎn)如圖3所示，右圖中的鉸點(diǎn)最終與船上的液壓步進(jìn)器連接，完成與船體的鉸接(SACS等效模型與照片略有區(qū)別)，約束點(diǎn)為上鉸點(diǎn)TOPA/TOPB和下鉸點(diǎn)BOTA/BOTB。

　　2計(jì)算分析

　　2.1波譜函數(shù)

　　運(yùn)動(dòng)分析采用三維勢(shì)流理論，為獲得船體-托管架運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，在MOSES軟件中設(shè)置單位振幅波，并將每個(gè)波的運(yùn)動(dòng)方程線性化，再結(jié)合不同的范圍，得到近似值的極值。對(duì)于1組相遇波周期，其周期為3～25s，波向相對(duì)船軸向?yàn)?°～315°。六自由度幅值RAO在計(jì)算時(shí)考慮所有重量組成，即船舶重量、壓載及有定義的貨物，因此將每個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)RAO乘以頻譜平方，再乘以概率因子，即可得到頻譜運(yùn)動(dòng)值。以相同方式，程序針對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)點(diǎn)的振幅和相位方面的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，計(jì)算設(shè)計(jì)海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，輸出預(yù)報(bào)結(jié)果。在MOSES軟件中，近海和海灣采用JONSWAP譜，開闊海域采用ISSC譜[9]，該船主要航行在南海海域，因此采用ISSC譜進(jìn)行計(jì)算。

　　3航行安全評(píng)估

　　基于確定的航行條件進(jìn)行船舶穩(wěn)性校核。穩(wěn)性計(jì)算以國(guó)際海事組織(IMO)穩(wěn)性要求為基礎(chǔ)，計(jì)算結(jié)果滿足穩(wěn)性要求;同時(shí)進(jìn)行總縱強(qiáng)度校核，彎矩及剪力均小于許用值，最大彎矩為許用值的62.5%，最大剪力為許用值的63.7%。穩(wěn)性及總縱強(qiáng)度均滿足規(guī)范及航行安全的要求。在航行中，無論是在重量還是在中心高度或貨物價(jià)值方面，托管架均為重點(diǎn)。因此，安全預(yù)報(bào)主要考慮艉部托管架。將其中的艉部托管架各浪向加速度極值組合疊加放至SACS中，進(jìn)行航行中的結(jié)構(gòu)安全預(yù)報(bào)。需要注意的是：其中的6個(gè)加速度是艉部鉸鏈點(diǎn)的加速度，采用SACS進(jìn)行計(jì)算時(shí)應(yīng)確定托管架重心點(diǎn)至鉸鏈的相對(duì)位置。

　　該船的相應(yīng)數(shù)據(jù)為：x方向20.8m，y方向9.8m，z方向8.7m。將加速度極值導(dǎo)入SACS中進(jìn)行節(jié)點(diǎn)計(jì)算分析。需要注意的是：艉部托管架在航行時(shí)部分入水，應(yīng)考慮一定的浮力，在計(jì)算時(shí)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。托管架的4個(gè)連接點(diǎn)均為鉸接，在計(jì)算時(shí)需要考慮航行工況下的鉸點(diǎn)受力及托管架內(nèi)部節(jié)點(diǎn)受力。計(jì)算結(jié)果如表2所示。對(duì)比各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)最大許用值，各節(jié)點(diǎn)受力均小于設(shè)計(jì)許用值，滿足規(guī)范及航行安全的要求(TOPA/TOPB僅考慮拉應(yīng)力)。

　　4結(jié)語

　　在船舶穩(wěn)性等航行條件得到保證的前提下，有效的綁扎措施及綁扎校核是保證安全運(yùn)輸?shù)氖侄�，且所有的綁扎�?jì)算及設(shè)計(jì)均須滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。以MOSES軟件及SACS為基礎(chǔ)，對(duì)某起重鋪管船進(jìn) 行船舶航行安全預(yù)報(bào)，主要進(jìn)行艉部托管架結(jié)構(gòu)分析，兼顧船舶穩(wěn)性及總縱強(qiáng)度。由計(jì)算結(jié)果可知：艉部托管架主要連桿節(jié)點(diǎn)UC值均小于1，滿足安全要求。相關(guān)計(jì)算為該船航行安全提供數(shù)據(jù)支持，可為其他類似船舶的航行運(yùn)輸提供參考。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]陸叢紅，林焰，紀(jì)卓尚，等.超大型海洋結(jié)構(gòu)物海上安全運(yùn)輸綁扎件設(shè)計(jì)[J].海洋工程，2004，22(4)：102-106.

　　[2]DNV.CargoSecuringModelManual[S].2004.

　　[3]API.RecommendedPracticeforPlanning，DesigningandConstructingFixedOffshorePlatforms：WorkingStressDesign[S].2010.

　　[4]曹洪鵬，徐海兵，崔小凡.基于ANSYS的托管架有限元分析[J].船舶工程，2016，38(S1)：121-123.

　　[5]侯濤，尹光榮，董志亮，等.導(dǎo)管架滑移下水強(qiáng)度智能分析技術(shù)研究[J].船海工程，2014，43(3)：153-156.

　　作者：張偉1，寧飛2

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///jjlw/28804.html