64 000載重噸散貨船上層建筑總段吊裝強度分析

嚴(yán) 勇，周 紅

(1.南通象嶼海洋裝備有限責(zé)任公司，江蘇 南通 226368；2.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

上層建筑作為船舶甲板上方體積最大的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計建造過程中會涉及到結(jié)構(gòu)、管系、電氣、鐵舾、涂裝等多個工種，是重要的船舶結(jié)構(gòu)模塊。隨著船舶建造技術(shù)的不斷進(jìn)步，為了縮短船舶建造周期及建造成本，上層建筑作為一個完整的模塊建造完畢后，需要整體吊裝至船上進(jìn)行安裝。上層建筑作為整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊裝明顯能夠提高預(yù)舾裝率，并且能夠縮短船舶建造周期，提高船舶生產(chǎn)效率。但是，舾裝完整度的增加勢必會增加上層建筑的重量，同時對上層建筑結(jié)構(gòu)的強度要求也會提高，因此在提高舾裝完整度的同時對上層建筑整體吊裝的強度進(jìn)行分析是至關(guān)重要的。

很多國內(nèi)學(xué)者借助有限元軟件研究了上層建筑整體吊裝存在的強度問題。張延昌等[1]利用MSC.Nastran軟件分析了105 000載重噸油船上層建筑的整體吊裝強度，并根據(jù)有限元分析結(jié)果給出了結(jié)構(gòu)加強措施，從而有效地指導(dǎo)上層建筑實際結(jié)構(gòu)的整體吊裝。李永正等[2]利用MSC.Nastran軟件分析了某超大型油船VLCC、大型油船上層建筑的整體吊裝強度，并根據(jù)有限元分析結(jié)果給出了結(jié)構(gòu)加強措施，為上層建筑吊裝提出指導(dǎo)性建議。徐柏鑫等[3]利用有限元計算分析了9 400標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船上層建筑整體吊裝結(jié)構(gòu)強度，并且通過一定的結(jié)構(gòu)加強方式及對舾裝件安裝進(jìn)行合理控制，最終形成了上層建筑吊裝的技術(shù)方案。羅勇等[4]利用MSC.Nastran對某型VLCC上層建筑吊裝引起的應(yīng)力和變形進(jìn)行校核，為上層建筑在完成內(nèi)舾裝后進(jìn)行整體吊裝的可行性提供依據(jù)。芮曉松等[5]采用有限元分析方法分析了15 000載重噸化學(xué)品船機艙分段的吊裝強度，并提出分段改進(jìn)措施及驗證其合理性。這些文獻(xiàn)對油船、化學(xué)品船、集裝箱船的上層建筑吊裝強度研究較多，而對國內(nèi)三大船型之一的散貨船的上層建筑吊裝強度研究較少。

本文以64 000載重噸散貨船上層建筑總段為研究對象，為了解決其實際吊裝問題，利用MSC.Patran軟件建立上層建筑總段有限元模型，通過MSC.Nastran軟件對上層建筑總段進(jìn)行整體吊裝強度有限元分析，評估其吊裝方案，并給出實際吊裝加強建議，從而保證上層建筑總段吊裝方案的安全性和可靠性。

1 上層建筑整體情況及有限元模型

1.1 上層建筑基本情況

64 000載重噸散貨船上層建筑總段從上至下共有五層結(jié)構(gòu)，包括羅經(jīng)甲板及圍壁結(jié)構(gòu)、橋樓甲板及圍壁結(jié)構(gòu)、C層甲板及圍壁結(jié)構(gòu)、B層甲板及圍壁結(jié)構(gòu)、A層甲板及圍壁結(jié)構(gòu)。整個上層建筑總段長13.94 m、寬32.16 m、高16.2 m。上層建筑各層甲板結(jié)構(gòu)均采用縱骨架式。上層建筑總段結(jié)構(gòu)材料采用普通碳素鋼，材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，材料許用應(yīng)力為235 MPa。

上層建筑總段的實際結(jié)構(gòu)重量重心以及舾裝等重量、有限元模型結(jié)構(gòu)重量重心數(shù)據(jù)見表1，修正后的有限元模型結(jié)構(gòu)重量重心應(yīng)盡量接近于實際結(jié)構(gòu)的重量重心。

1.2 吊裝方案

上層建筑總段整體吊裝時，采用的吊裝方案為：分別在橋樓甲板左舷y=12 330 mm位置布置2組吊耳，連接下小車。另外，在橋樓甲板右舷Fr 21、y=9 286 mm位置布置1組吊耳，連接1#上小車；右舷Fr 35、y=9 286 mm位置布置1組吊耳，連接2#上小車。

表1 上層建筑總段結(jié)構(gòu)重量及重心位置

1.3 上層建筑有限元模型

1.3.1總段有限元模型

利用MSC.Patran軟件建立64 000載重噸散貨船上層建筑總段有限元模型，如圖1所示。吊耳結(jié)構(gòu)如圖2所示。吊耳細(xì)化模型如圖3所示。有限元模型網(wǎng)格尺寸參考中國船級社《雙舷側(cè)散貨船結(jié)構(gòu)強度直接計算指南》[6]選取，即沿船長方向每肋位取2個網(wǎng)格，沿船寬方向每縱骨間距取2個網(wǎng)格；上層建筑有限元模型中的板材均采用四節(jié)點殼單元；縱骨、橫梁均采用梁單元模擬。上層建筑總段有限元模型共包括33 226個節(jié)點，46 300個單元。

圖1 上層建筑總段有限元模型

1.3.2邊界條件

上層建筑總段整體吊裝分析包括吊裝前和吊裝時的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，上層建筑總段由吊裝引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)則是吊裝前和吊裝時結(jié)構(gòu)響應(yīng)的合成。

上層建筑總段在吊裝前，結(jié)構(gòu)置于胎架上，總段重量通過胎架傳至地面。分析總段結(jié)構(gòu)在吊裝前的結(jié)構(gòu)響應(yīng)時，約束處理采用A層甲板圍壁下端約束x、y、z方向的線位移和角位移，即完全剛性固定。上層建筑總段在吊裝時，總段重量通過吊耳傳至纜繩。分析總段結(jié)構(gòu)在吊裝時的結(jié)構(gòu)響應(yīng)時，約束處理采用駕駛甲板右舷Fr 21處吊耳約束x、y、z方向的線位移，F(xiàn)r 35處吊耳約束y、z方向的線位移，左舷y=12 330 mm處吊耳約束x、z方向的線位移。

圖2 吊耳結(jié)構(gòu)形式

圖3 吊耳有限元模型圖

1.3.3施加載荷

上層建筑總段主要承受自重，計算總段在吊裝前的慣性載荷取z方向az=g=9.81 kg·m/s2，其余方向為0,g為重力加速度。在船舶上層建筑總段吊裝過程中考慮到?jīng)_擊載荷的影響，采用載荷系數(shù)1.1，計算總段吊裝時的慣性載荷取az=1.1g=10.791 kg·m/s2，其余方向為0。

1.3.4判定準(zhǔn)則

應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)：上層建筑總段材料為Q235，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，以結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于屈服應(yīng)力235 MPa為依據(jù)。

變形標(biāo)準(zhǔn)：對于吊裝過程中結(jié)構(gòu)的變形情況，以不使得結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形同時相鄰結(jié)構(gòu)不發(fā)生變形接觸為依據(jù)。

2 上層建筑吊裝強度有限元分析

利用MSC.Nastran軟件分析上層建筑總段的吊裝結(jié)構(gòu)響應(yīng)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形云圖分別如圖4和圖5所示，總段吊裝引起的最大應(yīng)力及變形分別見表2和表3。通過計算表明：上層建筑總段在吊裝過程中的最大應(yīng)力為79.2 MPa，出現(xiàn)在橋樓甲板y=12 330 mm縱艙壁上，在Fr 23與甲板面相交位置，遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力235 MPa，安全系數(shù)為2.97，結(jié)構(gòu)強度滿足吊裝要求。另外，上層建筑總段在吊裝過程中的最大變形為32.1 mm，出現(xiàn)在A甲板y=-6 497 mm縱艙壁上，位于Fr 18底端位置，其余結(jié)構(gòu)變形在5.0 mm以內(nèi)。

圖4 上層建筑總段吊裝前結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形云圖

圖5 上層建筑總段吊裝時結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形云圖

表2上層建筑總段整體吊裝應(yīng)力結(jié)果匯總MPa

結(jié)構(gòu)應(yīng)力吊裝前結(jié)構(gòu)應(yīng)力/MPa應(yīng)力最大值位置吊裝時結(jié)構(gòu)應(yīng)力/MPa應(yīng)力最大值位置羅經(jīng)甲板結(jié)構(gòu)22.5Fr30、y=-2032mm處縱桁底端位置36.5y=-6752mm縱艙壁上,在Fr35開孔角隅位置橋樓甲板結(jié)構(gòu)22.5Fr30、y=2300mm處縱桁底端位置79.2y=12330mm縱艙壁上,與Fr23、甲板面相交位置C層甲板結(jié)構(gòu)24.0y=-6172mm縱艙壁上,在Fr27+240mm處底端位置45.7Fr21橫艙壁上,在y=-7552mm開孔角隅位置B層甲板結(jié)構(gòu)15.9y=-6172mm縱艙壁上,在Fr23處底端位置31.9Fr21橫艙壁與y=-12330mm縱艙壁相交處底端位置A層甲板結(jié)構(gòu)20.5y=-4352mm縱艙壁與Fr21桁材相交位置62.5Fr21、y=-12330mm處桁材底端位置

3 結(jié)語

本文利用MSC.Patran軟件建立了64 000載重噸散貨船上層建筑總段有限元模型，并通過MSC.Nastran軟件進(jìn)行吊裝結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，主要得出以下結(jié)論：

(1)吊裝前，64 000載重噸散貨船上層建筑總段在重力作用下，整體應(yīng)力水平較低，能夠滿足強度要求。

(2)上層建筑總段吊裝時，總段最大應(yīng)力為79.2 MPa，結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于材料屈服應(yīng)力235 MPa，結(jié)構(gòu)強度均能滿足要求。

(3)上層建筑總段由吊裝引起的變形為32.10 mm，出現(xiàn)在A甲板y=-6 497 mm縱艙壁上，位于Fr18底端位置。吊裝時可使用工字鋼連接A甲板y=-6 497 mm縱艙壁底端與y=-4 352 mm縱艙壁底端，進(jìn)行臨時加強，從而控制吊裝引起的變形。上層建筑總段由吊裝引起的變形均為彈性變形，且相鄰結(jié)構(gòu)間無接觸，滿足吊裝要求。

表3 上層建筑總段整體吊裝變形結(jié)果匯總

(4)船廠在64 000載重噸散貨船上層建筑總段實際吊裝過程中，采取本文建議的臨時加強措施，使得上建總段吊裝過程順利進(jìn)行，證明本文吊裝方案安全可行。