半潜式平台干拖垫木方案优化分析

2023-06-06刘起成袁梦薛伟杰

中国水运 2023年5期

刘起成，袁梦，薛伟杰

（中远海运特种运输股份有限公司，广东广州 510623）

半潜式平台重量通常达数万吨，长度达上百米，通常采用半潜船横装干拖的方式进行远洋运输[1]。打横的半潜式平台尺寸相对半潜船船宽过大，四个立柱均外伸于半潜船舷侧，如图1 所示。即使加装了外伸结构，平台变形对载荷传递的影响仍不可忽略。设计变高度的垫木铺设方案使得平台重量较为均匀地传递到垫木和船体上是保证平台、垫木及船体结构安全的重要环节。变高度的垫木铺设方案在常规等高度的垫木铺设方案的基础上，考虑货物自身变形影响，可使货物变形与垫木高度相互契合，从而确保货物重量载荷可均匀传递[2]。

图1 平台配载示意图剖视图

通过理论方法设计的垫木铺设方案在实际执行时由于各种原因将产生差异，这些差异是否对整体方案产生大的影响值得研究。本文通过现场实测与理论计算结果进行对比，验证了变高度的垫木铺设方案设计的合理性，同时，针对现场实际遇到的问题提出了优化方案以及理论验证。

1 变高度垫木设计

为了将平台的重量更均匀地传递到半潜船上，需要设计变高度的垫木铺设方案[3]，方案设计简要流程如下：

（1）根据平台重量重心，按静载小于1N/mm2的应力要求预估需要的垫木总数量；

（2）根据平台的强结构位置，布置等高度垫木；

（3）根据货物总重量及垫木的总面积计算实际静载荷，将静载荷施加在平台与垫木接触的底部结构上，计算平台的变形，即可得到需要铺设三合板的高度，如图2 所示为平台变形云图；

图2 平台变形云图

（4）根据航行海况选定动载荷工况对上述变高度的垫木铺设方案进行校核，若发现平台、垫木及半潜船的结构强度不满足规范要求，对第二步进行调整，相应增加垫木数量；

（5）逐步优化垫木设计方案，至平台、变高度垫木及半潜船的结构强度均满足规范要求。

2 现场验证

2.1 现场测量方案

在变高度的垫木铺设方案设计完成后，需要在平台浮装上半潜船之前将变高度的垫木固定在半潜船主甲板的设计位置上，待平台定位准确，坐在变高度的垫木上后对其进行绑扎。在完货绑扎后，对垫木受压后的高度进行了实际测量，以验证理论计算的可靠性。变形后的垫木高度测量方案如下：

（1）航行中选取风浪小，船舶运动小的时间段进行测量，以验证静载情况下平台的变形数据；

（2）垫木高度沿着半潜船横向测量位置参考下图，共测量4 列，每列19 个点。从测量安全方面考虑，对伸出半潜船舷外的垫木高度不予测量，实际测量点位置如图3 所示。对于垫木的弧形部分，因不便于测量，故仅选取平整处进行高度测量，测量示意图如图4 所示；

图3 测量位置

图4 测量示意图

（3）测量方法：预先制作30 厘米高的工装，如图5 所示，剩余高度采用游标卡尺进行测量，每个点测量三次取平均值，以提高测量精度。

图5 测量工装

2.2 测量结果

为检验理论计算的可靠性，并为后续工程设计提供参考依据，现场测量了平台下垫木变形后的总高度值，并与垫木受压后的理论计算高度（垫木设计高度减去受压后的压缩量）进行了对比。对比结果如图6－图9 所示，其中横坐标为沿着半潜船横向垫木的编号，由于垫木均匀布置在平台的强结构处，故也可以表示为沿着平台旁通的纵向位置。纵坐标为垫木变形后的总高度值，其中线表示变形后的垫木高度理论值，圆点表示变形后的垫木高度测量值。

图6 A 组数据对比

图7 B 组数据对比

图8 C 组数据对比

图9 D 组数据对比

2.3 误差讨论

通过以上结果对比可以发现，垫木变形后高度的理论值与实际值在整体趋势上较接近，但也存在一定的误差。两者之间误差产生的主要原因包含以下几点：

（1）常规垫木通常按300mm 进行考虑，实际由于加工精度、长期使用等原因，垫木高度会有正负5mm甚至更大的误差；

（2）船体主甲板表面的平整度以及平台底部的平整度也会对结果产生一定的影响；

（3）高度测量时的误差。

半潜船船体总纵变形虽然也会对测量结果产生一定的影响，考虑到平台的旁通与半潜船接触区域占半潜船船长方向很小的比例，半潜船船体总纵变形对其影响较小，可以忽略。

3 垫木方案优化讨论

3.1 项目中遇到的问题

在项目执行过程中遇到以下两个主要问题：

问题1，项目中为了更精确地模拟平台的变形，以5mm 为间距，设计了4 种三合板，12 种厚度组合的方式，虽然对设计达到了几乎完美的拟合，误差控制在3mm，但是多达12 种厚度组合方式对现场准备工作带来了极大的挑战。

问题2，如图6 至图9 中可以看出，变形后部分区域的垫木总高度实际值与设计值存在较大误差，数据分析显示最大误差达到了9mm，局部的误差是否会导致平台整体载荷分配发生较大改变，从而影响平台结构的安全值得研究。

3.2 提出优化方案

针对问题1，建议以10mm 为间距，仅需2 种厚度的三合板，采用5 种组合方式即可较好的模拟平台变形曲线，从而大大减轻现场的工作量以及出错概率，减少备舱周期，提高航次经济性。

针对问题2，变形后部分区域的垫木总高度实际值与设计值之间的误差必然产生，通过理论方法分析以明确垫木总高度的误差与平台载荷传递敏感性之间的关系，以确保平台的结构安全。

3.3 优化方案验证

针对问题1，以之前某类似平台及铺设垫木模型为基础，分别对以5mm 为间距以及10mm 为间距的两种三合板铺设方案进行有限元分析，垫木的压应力云图结果如图10 和图11 所示，两者对比发现，采用10mm 为间距与采用5mm 为间距的方案的应力分布基本一致，且垫木最大压应力均为1.18N/mm2，均小于2 N/mm2，满足规范[4]中规定的垫木许用压应力。采用10mm 为间距的有限元模型中应力分布不均程度稍大，但在工程上完全可以接受。从而在理论上验证了采用10mm 为间距对三合板进行设计在工程应用上的合理性。

图10 垫木压应力云图（5mm 间距）

图11 垫木压应力云图（10mm 间距）

针对问题2，采用两个有限元模型进行对比。一个有限元模型采用实际的垫木高度进行建模分析，另一个有限元模型在该模型基础上靠尾侧左舷位置增加20mm厚度的三合板以模拟局部垫木高度出现较大误差的情况。分别对这两个有限元模型进行分析，得到垫木的压应力云图结果如图12 和图13 所示。两者对比发现，垫木的整体应力云图基本一致，仅在模型有修改得非常局部的区域应力有些许差别。由此可以判断，局部垫木高度的差别并不会对平台整体的应力分布产生较大的影响，仅对局部区域产生部分影响。只需要控制垫木总高度的误差，垫木即能较为均匀地传递平台载荷。