某起重铺管船航行中的托管架绑扎校核与结构分析

　　摘要：基于MOSES软件，建立某起重铺管船的船体模型及船体-托管架模型，计算船体-托管架在极限工况下的运动响应，得到船体-托管架的响应幅值算子(ResponseAmplitudeOperator，RAO)值，将RAO值导入结构分析计算机系统(StructuralAnalysisComputerSystem，SACS)进行船舶航行中的托管架绑扎校核与结构分析。计算结果显示，在极限环境条件下，该船的稳性、总纵强度及艉部托管架结构均满足航行安全要求。计算方法可为同类船舶的航行安全提供参考。

　　关键词：起重铺管船;托管架;绑扎校核;结构分析;航行安全

　　0引言

　　某起重铺管船在上海建造，首航至印尼卡里姆。在航行时，2节托管架绑扎在甲板上，1节托管架固定在艉部铺管作业位置，因此需要对该船进行波浪载荷预报和托管架绑扎及其结构应力计算。甲板货物的绑扎系固是航行安全的关键点，一般在运输船的稳性等满足要求的前提下，良好的绑扎是保证海洋结构物安全运输的首要条件[1]。为保证运输安全，诸如美国石油协会(API)、挪威船级社(DNV)等在其规范[2-3]中对绑扎均有指导性要求。 采用MOSES软件进行建模，将计算得到的环境参数导入结构分析计算机系统(StructuralAnalysisComputerSystem，SACS)进行托管架绑扎校核[4-5]，经多次实践与计算印证，计算结果与实际情况吻合度较高。

　　1计算模型

　　该船总长为199.0m，型宽为48.6m，型深为15.0m，作业甲板至基线为22.5m，设计吃水为7.5m，最大吃水为10.6m，设计航速为13kn，定位系统为DP3级。在艉部布置1台起重能力为5000t的全回转起重机，适应水深为3000m。为得到该船在运载托管架时的极限环境条件，应对航行中的极端恶劣气象海况，为航行安全提供安全预报，基于MOSES软件建立船体模型及船体-托管架模型。

　　船体模型是为进行静水力计算，对比该船稳性计算书以确定模型的准确性。船体模型需要与船体设计尽可能一致，且满足中国船级社(CCS)规范规定的误差要求。船体-托管架模型是为进行水动力分析计算，按照规范及船舶设计任务书计算船体-托管架的极限运动响应，得到波浪作用下的船体最大响应幅值算子(ResponseAmplitudeOperator，RAO)值[6]。采用SACS对运输过程中的托管架进行绑扎校核，在MOSES软件计算结果中得到环境参数后对艉部托管架进行结构分析[7]。绑扎在甲板上的2节托管架，在MOSES软件中计算运动响应时可采用等效重量及风面积，根据API规范，采用模块法对有效投影面积进行计算，从而得到相应的风力系数[8]。

　　艉部托管架处于待命(Stand-by)航行状态，共4个铰点，2个上铰点通过连杆与液压设备连接锁定，2个下铰点与艉部铰链结构铰接。无论是在航行中还是在铺管作业中，下铰点均为托管架支撑点，是结构分析的重点。艉部托管架模型及铰点如图3所示，右图中的铰点最终与船上的液压步进器连接，完成与船体的铰接(SACS等效模型与照片略有区别)，约束点为上铰点TOPA/TOPB和下铰点BOTA/BOTB。

　　2计算分析

　　2.1波谱函数

　　运动分析采用三维势流理论，为获得船体-托管架运动响应，在MOSES软件中设置单位振幅波，并将每个波的运动方程线性化，再结合不同的范围，得到近似值的极值。对于1组相遇波周期，其周期为3～25s，波向相对船轴向为0°～315°。六自由度幅值RAO在计算时考虑所有重量组成，即船舶重量、压载及有定义的货物，因此将每个自由度的运动RAO乘以频谱平方，再乘以概率因子，即可得到频谱运动值。以相同方式，程序针对每个结构点的振幅和相位方面的运动响应，计算设计海况下的运动响应，输出预报结果。在MOSES软件中，近海和海湾采用JONSWAP谱，开阔海域采用ISSC谱[9]，该船主要航行在南海海域，因此采用ISSC谱进行计算。

　　3航行安全评估

　　基于确定的航行条件进行船舶稳性校核。稳性计算以国际海事组织(IMO)稳性要求为基础，计算结果满足稳性要求;同时进行总纵强度校核，弯矩及剪力均小于许用值，最大弯矩为许用值的62.5%，最大剪力为许用值的63.7%。稳性及总纵强度均满足规范及航行安全的要求。在航行中，无论是在重量还是在中心高度或货物价值方面，托管架均为重点。因此，安全预报主要考虑艉部托管架。将其中的艉部托管架各浪向加速度极值组合叠加放至SACS中，进行航行中的结构安全预报。需要注意的是：其中的6个加速度是艉部铰链点的加速度，采用SACS进行计算时应确定托管架重心点至铰链的相对位置。

　　该船的相应数据为：x方向20.8m，y方向9.8m，z方向8.7m。将加速度极值导入SACS中进行节点计算分析。需要注意的是：艉部托管架在航行时部分入水，应考虑一定的浮力，在计算时进行相应设置。托管架的4个连接点均为铰接，在计算时需要考虑航行工况下的铰点受力及托管架内部节点受力。计算结果如表2所示。对比各节点设计最大许用值，各节点受力均小于设计许用值，满足规范及航行安全的要求(TOPA/TOPB仅考虑拉应力)。

　　4结语

　　在船舶稳性等航行条件得到保证的前提下，有效的绑扎措施及绑扎校核是保证安全运输的手段，且所有的绑扎计算及设计均须满足规范标准。以MOSES软件及SACS为基础，对某起重铺管船进 行船舶航行安全预报，主要进行艉部托管架结构分析，兼顾船舶稳性及总纵强度。由计算结果可知：艉部托管架主要连杆节点UC值均小于1，满足安全要求。相关计算为该船航行安全提供数据支持，可为其他类似船舶的航行运输提供参考。

　　参考文献

　　[1]陆丛红，林焰，纪卓尚，等.超大型海洋结构物海上安全运输绑扎件设计[J].海洋工程，2004，22(4)：102-106.

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

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

　　[4]曹洪鹏，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]侯涛，尹光荣，董志亮，等.导管架滑移下水强度智能分析技术研究[J].船海工程，2014，43(3)：153-156.

　　作者：张伟1，宁飞2

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