使用SPMT技术对船体上部运输系统进行动态响应分析

《Ocean Engineering》：Dynamic response analysis of topside transportation using SPMT

本文针对深海平台模块运输中动态响应问题，采用随机振动分析方法，研究不同路面等级和运输速度对 topside 应力分布的影响。通过引入路面粗糙度谱作为动态激励输入，结合实际监测数据验证模型准确性，结果表明路面等级和运输速度显著影响模块应力，建议控制路面等级为B级、运输速度不超1 km/h以确保安全。

　　在现代海洋工程的发展过程中，大型模块结构的运输已成为一项关键任务。这些结构，如海上平台的上部模块（topside）和浮式生产储油卸油装置（FPSO）的模块，因其巨大的尺寸、重量和复杂的构造而对运输安全提出了更高的要求。随着海上资源开发的不断深入，如何确保这些模块在运输过程中的结构完整性和安全性，成为工程界亟需解决的问题。在此背景下，自推进式模块运输器（Self-Propelled Modular Transporters, SPMTs）因其灵活性和高效性，逐渐成为运输大型模块的首选工具。

SPMTs在海洋工程模块运输中的应用，不仅涉及到运输设备本身的性能，还与运输路径的地面状况密切相关。传统的静态验证方法虽然在一定程度上能够评估运输方案的安全性，但往往忽略了运输过程中由于路面不平、SPMT启动、停止及转向等动态因素所带来的潜在风险。因此，研究SPMT运输过程中模块的动态响应特性，对于优化运输计划和提升运输安全性具有重要意义。本文通过随机振动分析方法，探讨了不同运输速度和地面状况下，上部模块所承受的应力变化，旨在为SPMT运输提供更科学、系统的理论支持。

文章首次将路面不平度谱作为动态激励输入，应用于SPMT运输模拟中。这一创新方法不仅提升了模拟的准确性，也为后续研究提供了新的思路。通过将模拟结果与现场测量数据进行对比，验证了所提出方法的有效性。研究结果表明，SPMT的运输速度以及运输道路的地面等级对模块的动态响应具有显著影响。为了保障运输安全，建议在工厂内部运输时，地面等级应控制在B级以内，而SPMT的运输速度则应限制在1公里每小时以内。

SPMT技术自20世纪末以来已在桥梁和模块化建筑领域广泛应用。例如，在桥梁运输中，SPMTs能够有效应对复杂的地形条件，实现大型构件的平稳转移。在油和气设施运输中，SPMTs同样因其高度的灵活性和适应性而受到青睐。而在海上模块运输方面，SPMTs则被用于将预制的上部模块从陆地工厂运输至码头，再通过浮吊或滑移系统安装到海上平台的结构上。此外，SPMTs还被应用于海上风电基础结构的运输过程中，显示出其在多种复杂环境下的广泛适用性。

然而，现有的研究多集中于静态分析，较少关注运输过程中动态效应对模块结构的影响。尽管一些学者对SPMT运输中的动态响应进行了初步探讨，如Bounds和Tann（2022）以及Culmo等人（2017）分别研究了液压系统、模块刚度和支撑条件对运输动态响应的影响，并通过现场测量数据验证了分析方法的准确性。Johnson等人（2017）则在桥梁运输中分析了SPMT的动态效应和摩擦系数，提出了基于实验数据的设计响应谱。Rosvall等人（2010）则研究了利用SPMT进行桥梁替换的动态效应，通过监测桥梁在运输过程中的应力变化，提出了动态应力与吊装应力的比例指标，用于评估桥梁的动态响应。尽管这些研究在一定程度上揭示了SPMT运输中的动态特性，但它们大多忽略了道路状况对运输过程的动态影响。

本文的研究填补了这一空白，特别关注了不同地面等级和运输速度对上部模块应力的影响。研究对象为典型的FPSO上部模块，这些模块通常采用钢空间框架结构，具有较高的结构复杂性和重量。通过随机振动分析方法，本文系统地分析了SPMT运输过程中模块的动态响应，揭示了运输速度和地面状况对模块应力分布的影响机制。研究结果表明，地面等级和运输速度是影响模块动态响应的两个关键因素，因此在实际运输过程中，应根据具体的运输条件和模块特性，合理控制这两个参数，以确保运输的安全性和可靠性。

在车辆配置方面，本文采用了一种符合欧洲汽车运输协会“SPMT最佳实践指南”的运输方案。该方案利用了一支由4列38轴SPMT组成的运输车队，其中包含了4轴和6轴SPMT的组合。这种配置方式能够有效提升运输效率，同时兼顾模块的稳定性和安全性。通过模拟和实验的结合，研究团队验证了该运输方案的可行性，并进一步探讨了不同配置方式对运输过程的影响。

在实验设计方面，研究团队对模块的运输过程进行了实时监测，重点测量了四个典型区域的应变数据，并利用胡克定律推导出相应的应力值。通过将这些实验数据与理论模型的计算结果进行对比，研究团队为后续的分析和优化工作提供了坚实的数据基础。此外，实验过程中还对应变片的电阻值进行了精确测量，以确保数据的准确性。这种严谨的实验设计不仅提高了研究的科学性，也为实际工程中的监测和评估提供了参考依据。

研究结果的分析显示，不同地面等级和运输速度对模块的应力分布具有显著影响。通过对比模拟结果与实际测量数据，研究团队发现，在地面等级为B级且运输速度为1公里每小时的条件下，模拟结果与测量数据的匹配度最高。这表明，地面等级和运输速度的合理控制是保障模块运输安全的关键因素。此外，研究团队还对最大应力的分布情况进行了分析，并绘制了相应的应力云图，以直观展示模块在不同运输条件下的受力状态。这些结果不仅有助于理解SPMT运输过程中的动态特性，也为工程实践中的参数选择提供了理论支持。

在结论部分，本文总结了SPMT运输过程中模块动态响应的分析方法和运输配置策略。通过引入随机振动分析方法，研究团队成功地模拟了不同地面等级和运输速度下模块的应力变化，并验证了所提出方法的可行性和准确性。研究结果表明，地面等级和运输速度是影响模块动态响应的重要因素，因此在实际运输过程中，应根据具体的运输条件和模块特性，合理控制这两个参数，以确保运输的安全性和可靠性。此外，本文还强调了动态分析在模块运输中的重要性，指出传统的静态分析方法在面对复杂运输环境时可能存在一定的局限性。

本研究的创新点在于首次将路面不平度谱作为动态激励输入，应用于SPMT运输模拟中。这一方法不仅提升了模拟的准确性，也为后续研究提供了新的思路。通过将模拟结果与现场测量数据进行对比，研究团队验证了所提出方法的有效性，并进一步探讨了不同运输条件对模块应力分布的影响机制。这些研究结果对于优化运输计划、提升运输安全性具有重要的指导意义。

此外，本文还对SPMT运输过程中可能存在的动态风险进行了深入分析。例如，路面不平度会导致模块在运输过程中产生振动和冲击，进而影响其结构完整性。SPMT的启动、停止和转向操作也会对模块的动态响应产生影响，特别是在高速运输条件下，这些动态因素可能会导致更大的应力集中。因此，在实际运输过程中，应综合考虑这些动态因素，采取相应的措施，如优化运输路径、调整运输速度、加强模块支撑等，以降低运输风险，提高运输效率。

在实际工程应用中，SPMT运输的动态分析不仅可以用于优化运输方案，还可以为模块设计和制造提供参考依据。例如，通过分析不同地面等级和运输速度下的应力分布，可以为模块的结构设计提供更科学的参数选择，从而提高模块的承载能力和安全性。此外，动态分析结果还可以用于评估运输设备的性能，为SPMT的设计和改进提供理论支持。

综上所述，本文的研究为SPMT运输过程中的动态分析提供了新的方法和思路，揭示了运输速度和地面等级对模块应力分布的重要影响。研究结果表明，在实际运输过程中，应合理控制运输速度和地面等级，以确保模块的结构完整性和运输安全性。同时，本文也强调了动态分析在模块运输中的重要性，指出传统的静态分析方法在面对复杂运输环境时可能存在一定的局限性。未来的研究可以进一步探讨不同运输条件下的动态响应特性，为SPMT运输的优化和安全设计提供更加全面的理论支持。