自升式起重平台站立状态结构强度

金 晶， 韩传杰

(上海振华重工(集团)股份有限公司， 上海 200125)

0 引 言

1 平台概述

1 000 t自升式起重平台船体呈长方形，纵骨架式，带有4个圆形筒式(圆柱形)桩腿，桩腿上开有销孔，每个桩腿下端带有独立桩靴，抬升驱动方式为液压驱动。采用绕桩式起重机，主吊机布置于右舷船首1号桩井处，副起重机位于右舷船尾桩井处，是主要用于海上风电设备的安装或其他水上以及岸边各种大型设备吊装任务的海洋工程装备。

2 站立状态结构强度计算

2.1 有限元模型

应用MSC.Patran/Nastran软件对全船站立工况进行有限元计算分析，吊机、上建以及设备等采用质量点进行模拟。模型中甲板、舱壁和桁材腹板采用板单元模拟。桩腿、加强筋和桁材面板采用梁单元模拟。弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85 t/m3，有限元模型如图1所示。

图1 边界条件及整体有限元模型

2.2 边界条件

整个计算模型的边界条件如图1所示，对桩腿下端端部约束x,y,z3个方向的平动自由度。由于同一桩腿中不同油缸之间采用同一油路，因此每个油缸支反力近似相同。模型中采用MPC连接和相对较弱的弹簧来模拟液压抬升和主船体之间的相互作用(见图2)，以模拟实际油缸与桩腿之间的反力情况。采用MPC连接模拟船体上下导向和船体的接触。

图2 液压油缸和主船体连接模拟模型

2.3 计算工况

由于平台左右舷以及前后桩井区域结构类似，主吊机工作引起的载荷非常大，而平台对地的最大压力一般出现在预压载状态[4]，因此选取主吊机工作工况和预压载工况进行船体结构强度计算分析。

2.3.1 主吊机工作工况

对于主吊机工作工况结构强度计算主要考虑以下载荷：(1)结构自重，包括货载、压载水、油水；(2)吊机载荷；(3)环境载荷，包括风载荷、波浪和流载荷以及波浪载荷动力效应引起的惯性载荷，另外还要考虑主船体产生横向偏移后，由其自身重力引起的二次力矩P-Δ载荷。结构自重和水平惯性载荷采用惯性加速度加载，风载荷以及货载采用均布载荷加载在主甲板上，吊机载荷采用MPC加载在吊机基座处，P-Δ载荷采用桩靴底部的弯矩进行施加计算。

由于该平台吊臂可全回转，站立工作工况分别须考虑不同的环境载荷和吊机的角度组合，因起重机均在右舷，保守考虑，从船尾指向船首为0°方向，环境载荷方向(0°～180°)和吊机载荷方向(0°～180°)间隔30°，顺时针旋转。

2.3.2 预压载工况

预压载工况主要考虑结构自重，包括货载、压载水、油水；采用对角压载的工作方式，即将4个桩靴按照对角连线的2个桩靴分为2组，通过操作桩腿的液压抬升系统，减小其中1组的压载力从而实现另外1组的压载。该压载方式可以充分利用结构自重，不用向压载舱注入太多压载水，从而提升压载的效率。

1.5统计学研究方法 全部数据都采用SPSS20.0版统计软件予以处理,用χ2检验计数资料和t检验计量资料,(±s)代表计量数据;(n/%)代表计数资料;当中,P<0.05表示对比差异较大,具有统计学意义。

由于吊机载荷对不同桩腿的影响不一致，导致4个桩腿在工作时达到的最大预压载荷也不同，因此采用2步压载的方案进行压载。(1)当平台就位后先对2和4桩腿(桩腿编号见图1)进行对角压载，然后对1和3桩腿进行对角压载，此时除1号桩腿外，其他3条桩腿均已达到预压目标值。(2)向1号桩腿附近压载舱打压载水，对1号桩腿进行第2步压载，使其达到目标值。

3 计算结果

3.1 主吊机工作工况计算结果

主吊机工作工况应力结果如图3和图4所示，可以看出对于主吊机工作工况主要应力集中于吊机所在的桩井区域附近。表1为船体部分应力分解，可以看出主甲板和底板主要是正应力和剪切应力，而舱壁主要是剪切应力。

图3 工作工况主甲板和底板最大应力云图

图4 工作工况舱壁最大应力云图

为进一步分析吊机载荷对应力的影响，将主吊机工作工况的载荷分为结构自重、吊机载荷以及环境载荷，而吊机载荷可进一步分解为水平力、垂直力、弯矩、扭矩等4个主要分量，分别算出这些分量对船体不同结构部位应力的影响程度。由表2可看出：对于船中区域应力影响最大的是自重，其次是吊机弯矩；对吊机附近的舱壁和甲板应力影响最大的是吊机弯矩，其次是结构自重和吊机的垂向载荷；环境载荷、吊机水平载荷和扭矩对结构强度影响比较小，都在5%以下。因此，可以按照此受力影响特点对不同的结构部位加强分别进行考虑，得到最优化结构设计。

表1 船体各部分应力分解 MPa

表2 船体应力权重分析(各载荷分量导致的应力占总应力的百分比) %

3.2 预压载工况计算结果

通过对2步预压载工况的计算，得到预压载工况最大应力云图如图5和图6所示，可以看出，预压载工况下4个桩井之间的舱壁、甲板和底板均存在较大的应力，这是由于对角压载情况下减小其中1对对角桩腿对船体支撑时会导致船体形成类似悬臂的结构，从而导致桩腿之间主船体甲板和舱壁组成的箱型结构承载较大的弯矩和扭矩从而形成较大的应力。

图5 预压载主甲板和底板最大应力云图

图6 预压载舱壁最大应力云图

对甲板和舱壁以及舷侧板分别选取图中所示的4个位置进行应力分量分析，如表3所示，可以看出剪切应力占了绝大一部分,这主要是由于对角压载时主船体的扭转导致的。

表3 船体各部分应力分解 MPa

为了进一步研究预压反力的大小对主船体应力的影响，对不同的预压载荷进行计算得到结果如图7所示，可以看出随着预压反力的增加，舱壁和甲板上的应力均近似线性增加。

图7 预压应力和预压反力关系图

4 结 论

本文对1 000 t风电安装平台站立状态不同工况结构强度进行详细的有限元计算分析，通过计算得到以下结论。

(1) 由于采用绕桩式起重机，导致起重机工作工况主要应力集中于吊机附近，该桩井区域应力远大于其他3个桩井，设计时应该对此桩井单独加强，

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并且重点计算分析。

(2) 主吊机作业时对主船体应力影响最大的为船体重量以及吊机的弯矩，吊机垂向载荷次之，而环境载荷和吊机扭矩以及水平载荷影响较小。

(3) 主吊机作业时对桩井区域应力影响最大的为吊机的弯矩，主船体重量和吊机垂向载荷次之。

(4) 对角压载工况下船体主要载荷集中于压载的2条桩腿所在的桩井之间，从而导致应力较大，并且以剪应力为主，且应力的大小随着预压反力的增加线性增加。

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