3000 m水深多功能水下作业支持船有限元计算研究.pdf

第 31 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.31 No.6Jun.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言在全球掀起海洋油气开采和海工装备建造热潮的大环境下，在我国政府和企业积极部署开展相关科研开发工作的努力下，我国海洋工程装备及技术将迎来巨大跨越。多功能水下作业支持船作为为海上工程提供服务的特种工作船，包含了多种类型，在海洋工程中起着重要作用1。本文提到的 3000 m 水深多功能水下作业支持船具备为海洋工程提供平台供应，拖曳和操锚等传统功能；同时也能用于远海救助，对水下沉船、飞行器进行探测和打捞；并能作为 300 m 饱和潜水和常规空气潜水的支持母船；还可以对难船进行封舱、堵漏、排水，除油污和对外消防灭火作业。3000 m 水深多功能水下作业支持船所集成的多种功能要求装备相应的特种设备，如水下遥控无人探测器 ROV 系统，包括 1 台工作型 ROV 和 1台观察型 ROV 作为潜水支持母船；1 套 300 m 饱和潜水系统；2 套空气潜水系统和潜水月池；以及三用工作船 AHTS（起抛锚、拖带、供应）上的主要设备。船上还有作业甲板、A 字架、拖缆机、艉滚筒、工作月池、被动式减摇水舱、防横倾系统、四点锚泊定位系统、海洋工程起重装置等。与其他海工辅助船相比，3000 m 深水多功能作业支持船作业功能更多，设备和系统更先进，设备和管路的布置更加复杂，这就对船舶结构设计提出了更高的要求。在船舶结构设计过程中，局部受力结构的船体支撑构件强3000 m水深多功能水下作业支持船有限元计算研究叶 姗1，李志锋2（1.武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065；2.武船设计研究院创新中心，湖北 武汉 430070）摘 要：本文利用有限元软件 MSC.Patran 和 MSC.Nastran 对 3000 m 水深多功能水下作业支持船的定位锚船体支撑件结构布置方案进行强度研究。通过 CCS 油船结构直接计算指南和钢质海船建造规范，对比 MPC 法和螺栓力施加法的计算结果，验证 MPC 法的可行性和准确性，并应用到拖带眼板的结构强度校核中。最后阐述了梁单元采用 Cbeam 单元较 Cbar 单元的优势，为结构直接计算校核工作提供优化方法。关键词：水下作业支持船；直接计算；载荷施加中图分类号：U674.38 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.06.010引用格式叶姗,李志锋.3000 m 水深多功能水下作业支持船有限元计算研究 J.船舶物资与市场,2023,31(6):30-32.度的可靠性一直是船舶设计过程中人们非常关注的问题。本文基于“深潜水工作母船”的定位锚绞车下船体支撑结构的强度有限元计算，分别使用 MPC 法与传统的螺栓力施加法来模拟锚绞机受力传递到基座的过程，并对计算结果进行分析和对比，确定了 MPC 法在结构校核中的可行性，以及根据 Cbar 和 Cbeam 的原理总结船体建模中骨材处理问题，最后用上述方法校核拖带眼板处船体结构强度。1 计算模型1.1 计算软件本文用到的计算软件 MSC.Patran 和 MSC.Nastran 是由 MSC.Software 公司开发的。其中 MSC.Patran 是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统，广泛应用于航空、航天、汽车、船舶、铁道、机械、制造业、电子、建筑、土木、国防、生物力学、食品包装、教学研究等各个行业。而 MSC.Nastran 是大型结构有限元分析软件，可进行动力分析、非线性分析、灵敏度分析、热分析等，并自动地进行 MPC 约束2。本文用 MSC.Patran来进行结构的有限元建模后，再用 MSC.Nastran 进行有限元分析，两者可以达到完美结合。1.2 定位锚区域模型描述在进行船体结构有限元分析时，首要任务之一是建立船体结构有限元模型。由于船体结构的复杂性，目前，船体结构有限元建模绝大部分还都是采用手工方法进行，收稿日期：2023-03-24作者简介：叶姗（1984-），女，硕士，讲师/工程师，研究方向为船舶设计教学与研究。第 6 期 31 即先在船体结构的二维图纸上量取船体结构的位置坐标，然后输入到 Patran 中，建立节点和单元，再给单元赋予属性等工作3。船体结构由板材和型材构成。其中不同位置的船体外板结构形状差异较大，厚度也不尽相同，艏艉部外板多为复杂曲面，平行中体部位外板形状相对简单；型材构件的形状、规格、位置也各有不同，需要设置很多不同的属性来完成建模。有限元分析船舶的主要目的是校核船舶结构强度，得到船舶在外加波浪载荷与装载载荷作用下的整体应力分布，因此一般采用满足计算精度要求的均匀网格4，在此基础上，再控制网格密度，可以通过 MSC.Patran 软件灵活的网格划分技术实现。本文的计算模型位置为：纵向从船尾到 FR17，R25，船宽方向从左舷到船中，垂向方向从船底到第一甲板，有限元模型中包括了定位锚绞车下的主要支撑构件。计算模型中采用了 3 种单元：板（shell）单元、梁（beam）单元和杆（rod）单元。其中板单元用于模拟甲板、外板、纵桁、舱壁、肘板等结构，梁单元用于模拟连续且尺寸较大的纵骨、扶强材等结构，杆单元用于模拟开孔处面板、间断且尺寸较小的加强筋等。有限元模型的网格大小设定原则：纵向以 3000 m 水深多功能水下作业支持船的肋骨间距（600 mm）为基准，横向以其纵骨间距（600 mm）为基准，船底纵桁和肋板在垂直方向布置应不少于 3 个单元，舱壁最底部单元一般情况下尽量划分为正方形单元，四边形单元边长比不超过 1：3。在有限元分析中结构尺寸采用船舶建造厚度5。定位锚总体结构模型图 1 所示。图 1 定位锚计算模型2 计算载荷及计算工况2.1 计算载荷1）定位锚绞车重量：根据定位锚绞车安装图中提供的重量为 27657 kg，方向垂直向下。2）定位绞车钢丝绳直径为48 mm，破断力为 1609 kN。计算载荷取为钢丝绳破断载的 1.25 倍，即 2011.25 kN，载荷方向由 定位锚设备布置图 中钢丝绳的方向决定。2.2 定位锚计算工况根据定位锚设备布置图中的出绳方向计算2种工况。工况一：定位锚绞车与摆动导索器的绳与水平面成17.2时。工况二：定位锚绞车与摆动导索器的绳与水平面成 23.6时。3 载荷施加方法及计算结果分析3.1 载荷施加本文对计算模型采用 2 种载荷施加的方法：MPC 法和螺栓力法。其中 MPC 指 Multipoint constraints，即多点约束，在有限元计算中应用广泛。MPC 定义的是一种节点自由度的耦合关系，即以 1 个节点的某几个自由度为标准值，然后令其他指定的节点的某几个自由度与这个标准值建立某种关系6。其力学原理为：，j i L，（1）L，（2）式（1）+式（2），可得 。另一种螺栓力法则是指传统的受力结构用螺栓与基座连接的有限元计算方法。该方法模拟准确，但具有耗时长、易出错、模型难修改等劣势，而 MPC 法较传统的螺栓力施加法具有明显的优势：1）极大地节省了每个螺栓力的计算时间；2）具有很强的直观性，不容易出错；3）重复修改模型更简单。本文在工况一下锚绞机处载荷施加分别通过多点约束法（MPC 法）和螺栓力施加法来模拟锚绞车基座的受力模型和刚体模型。3.2 计算结果分析船舶屈服强度评估所涉及相当应力应该按下式计算：e，。表 1 为 2 种处理方法下基座、甲板板、甲板下加强结构的受力表。表 1 MPC 法和螺栓力法下结构受力表结构方法正应力剪应力相当应力xmaxymaxxymaxemax基座MPC82.548.4120196螺栓76.543.5128192甲板板MPC51.253.85572.1螺栓38.648.54964.3甲板下加强MPC88.3108123216螺栓85106123217叶姗，等：3000 m 水深多功能水下作业支持船有限元计算研究船舶物资与市场第 31 卷 第 6 期 32 图 2 图 4 分别为 2 种处理方法下基座板、甲板板、甲板下加强单元应力图对比。（a）MPC 法 （b）螺栓力法图 2 基座单元相当应力图对比（a）MPC 法 （b）螺栓力法图 3 甲板板单元相当应力图对比（a）MPC 法 （b）螺栓力法图 4 甲板下加强单元相当应力图对比从表 1 可以看出 MPC 法和螺栓力法在向应力的数值方面，除个别位置有差距之外，基本上差距不大，另外，总体上看 MPC 法较螺栓力法更安全。从图 2 图 4 可以看出，MPC 法和螺栓力法各向应力云图和应力敏感点位置差别不大，云图很相近，另外，MPC 法和螺栓力法计算结果得到的应力最大单元完全一致。由以上几点可以确认：MPC 法和螺栓力法在计算结果上高度一致，MPC 法能准确替代传统的螺栓力法所模拟的力学模型，从计算结果上可以看出MPC法趋于安全。从 MPC 法的原理也可以看出其具有将力按照从动点和主动点的位置关系分配的特点。综上所述，在船体有限元计算中，对于受力点不是直接作用在船体结构上的情况，可以用 MPC 单元将力和有限元模型结合，其计算结果能有效的模拟工况，满足计算要求。4 Cbeam 和 Cbar 单元的区别2 节点的梁单元可以模拟次要构件如甲板纵骨、舷侧肋骨、舱壁扶强材、甲板横梁以及甲板强横梁、甲板纵桁的面板等。在船体建模中，梁单元又可以描述成 Cbeam 单元或者 Cbar 单元，都能描述有对称轴的型材，如 T 型材、扁钢、槽钢等，但对于没有对称轴的型材，如角钢、L型钢和球扁钢，其截面中和轴与剪心不在一条直线上，Cbar 单元不能模拟，或者其模拟的单元已经不能反应实际情况，这时候就需要用到 Cbeam 单元，CBeam 单元兼顾了 Cbar 单元能模拟有对称轴的截面形状特性，还具有 CBar 单元所不具备的模拟非对称截面的特性，为更准确地进行有限元计算提供了很好的途径。另 Cbar 单元的偏心计算是从型心到端点的距离，而 Cbeam 单元是从剪心到端点，后者为填写偏移值提供了极大的便利。综上，采用 Cbeam 单元替代 Cbar 单元可更好地模拟船体复杂的骨材截面形状，还起到了简化建模的步骤，提高效率的作用。5 拖带眼板处船体支撑结构强度校核结合以上结论，将 MPC 法和 Cbeam 梁单元应用到拖带眼板的建模和计算中，能显著地提高效率，表 2 为详细应力表，可以看出计算结果较理想，满足规范要求。表 2 各结构详细应力表构件正应力/Nmm-2剪应力/Nmm-2相当应力/Nmm-2xmaxymaxmaxemax甲板板313115.527.6横舱壁12712797.7174骨架1282778.51456 结语本文通过对 3000 m 水深多功能水下作业支持船的定位锚锚绞车的结构有限元强度计算，综合对比了 MPC法和螺栓力法的建模、工时、结果，得出MPC法操作简单，修改方便，显示直观，计算结果能有效反映结构受力情况和应力敏感点的位置等信息，是可以推广的有效方法。另外，综合比较了梁单元的属性问题，确立了 Cbeam 单元更精确反映船体结构骨材的问题。结合得到的方法和技巧，分析了拖带眼板处结构强度，得到了较好的预期效果。参考文献：1 曹洪涛,张拯宁.无人机遥感海洋监测应用探讨 J.海洋信息,2015(1):51-54.2 MSC.Patran&MSC.Nastran 使用指南 DB/OL.3 林雨,周瑞平,李方海.基于 Patran 的船体建模方法 J.计算机辅助工程,2013(22):357-359.4 陈国龙.MSC.Patran 船舶结构建模中的一些实用技巧 EB/OL.MSC.Software 中国用户论文集,2003.5 徐林志,谌伟.3500 级浮船坞结构有限元结构强度计算 J.交通科技,2011(5):107-110.6 ABAQUSMPC 问题多点约束解析 DB/OL.