某起重鋪管船航行中的托管架綁扎校核與結構分析

　　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，計算船體-托管架在極限工況下的運動響應，得到船體-托管架的響應幅值算子(ResponseAmplitudeOperator，RAO)值，將RAO值導入結構分析計算機系統(StructuralAnalysisComputerSystem，SACS)進行船舶航行中的托管架綁扎校核與結構分析。計算結果顯示，在極限環境條件下，該船的穩性、總縱強度及艉部托管架結構均滿足航行安全要求。計算方法可為同類船舶的航行安全提供參考。

　　關鍵詞：起重鋪管船;托管架;綁扎校核;結構分析;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，2節托管架綁扎在甲板上，1節托管架固定在艉部鋪管作業位置，因此需要對該船進行波浪載荷預報和托管架綁扎及其結構應力計算。甲板貨物的綁扎系固是航行安全的關鍵點，一般在運輸船的穩性等滿足要求的前提下，良好的綁扎是保證海洋結構物安全運輸的首要條件[1]。為保證運輸安全，諸如美國石油協會(API)、挪威船級社(DNV)等在其規范[2-3]中對綁扎均有指導性要求。 采用MOSES軟件進行建模，將計算得到的環境參數導入結構分析計算機系統(StructuralAnalysisComputerSystem，SACS)進行托管架綁扎校核[4-5]，經多次實踐與計算印證，計算結果與實際情況吻合度較高。

　　1計算模型

　　該船總長為199.0m，型寬為48.6m，型深為15.0m，作業甲板至基線為22.5m，設計吃水為7.5m，最大吃水為10.6m，設計航速為13kn，定位系統為DP3級。在艉部布置1臺起重能力為5000t的全回轉起重機，適應水深為3000m。為得到該船在運載托管架時的極限環境條件，應對航行中的極端惡劣氣象海況，為航行安全提供安全預報，基于MOSES軟件建立船體模型及船體-托管架模型。

　　船體模型是為進行靜水力計算，對比該船穩性計算書以確定模型的準確性。船體模型需要與船體設計盡可能一致，且滿足中國船級社(CCS)規范規定的誤差要求。船體-托管架模型是為進行水動力分析計算，按照規范及船舶設計任務書計算船體-托管架的極限運動響應，得到波浪作用下的船體最大響應幅值算子(ResponseAmplitudeOperator，RAO)值[6]。采用SACS對運輸過程中的托管架進行綁扎校核，在MOSES軟件計算結果中得到環境參數后對艉部托管架進行結構分析[7]。綁扎在甲板上的2節托管架，在MOSES軟件中計算運動響應時可采用等效重量及風面積，根據API規范，采用模塊法對有效投影面積進行計算，從而得到相應的風力系數[8]。

　　艉部托管架處于待命(Stand-by)航行狀態，共4個鉸點，2個上鉸點通過連桿與液壓設備連接鎖定，2個下鉸點與艉部鉸鏈結構鉸接。無論是在航行中還是在鋪管作業中，下鉸點均為托管架支撐點，是結構分析的重點。艉部托管架模型及鉸點如圖3所示，右圖中的鉸點最終與船上的液壓步進器連接，完成與船體的鉸接(SACS等效模型與照片略有區別)，約束點為上鉸點TOPA/TOPB和下鉸點BOTA/BOTB。

　　2計算分析

　　2.1波譜函數

　　運動分析采用三維勢流理論，為獲得船體-托管架運動響應，在MOSES軟件中設置單位振幅波，并將每個波的運動方程線性化，再結合不同的范圍，得到近似值的極值。對于1組相遇波周期，其周期為3～25s，波向相對船軸向為0°～315°。六自由度幅值RAO在計算時考慮所有重量組成，即船舶重量、壓載及有定義的貨物，因此將每個自由度的運動RAO乘以頻譜平方，再乘以概率因子，即可得到頻譜運動值。以相同方式，程序針對每個結構點的振幅和相位方面的運動響應，計算設計海況下的運動響應，輸出預報結果。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譜進行計算。

　　3航行安全評估

　　基于確定的航行條件進行船舶穩性校核。穩性計算以國際海事組織(IMO)穩性要求為基礎，計算結果滿足穩性要求;同時進行總縱強度校核，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%。穩性及總縱強度均滿足規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值方面，托管架均為重點。因此，安全預報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，進行航行中的結構安全預報。需要注意的是：其中的6個加速度是艉部鉸鏈點的加速度，采用SACS進行計算時應確定托管架重心點至鉸鏈的相對位置。

　　該船的相應數據為：x方向20.8m，y方向9.8m，z方向8.7m。將加速度極值導入SACS中進行節點計算分析。需要注意的是：艉部托管架在航行時部分入水，應考慮一定的浮力，在計算時進行相應設置。托管架的4個連接點均為鉸接，在計算時需要考慮航行工況下的鉸點受力及托管架內部節點受力。計算結果如表2所示。對比各節點設計最大許用值，各節點受力均小于設計許用值，滿足規范及航行安全的要求(TOPA/TOPB僅考慮拉應力)。

　　4結語

　　在船舶穩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輸的手段，且所有的綁扎計算及設計均須滿足規范標準。以MOSES軟件及SACS為基礎，對某起重鋪管船進 行船舶航行安全預報，主要進行艉部托管架結構分析，兼顧船舶穩性及總縱強度。由計算結果可知：艉部托管架主要連桿節點UC值均小于1，滿足安全要求。相關計算為該船航行安全提供數據支持，可為其他類似船舶的航行運輸提供參考。

　　參考文獻

　　[1]陸叢紅，林焰，紀卓尚，等.超大型海洋結構物海上安全運輸綁扎件設計[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.導管架滑移下水強度智能分析技術研究[J].船海工程，2014，43(3)：153-156.

　　作者：張偉1，寧飛2

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