基于BLS的載重量38 000 t散貨船尾部總段整體吊裝優(yōu)化設(shè)計(jì)

翟高進(jìn)， 盧蓉芝， 張 開

(1.無(wú)錫市地方海事局, 江蘇 無(wú)錫214043； 2.江蘇省泰興中等專業(yè)學(xué)校, 江蘇 泰州225400；3.泰州口岸船舶有限公司, 江蘇 泰州225321)

0 引 言

載重量38 000 t散貨船是泰州口岸船舶有限公司為香港船舶所有人建造的同型號(hào)系列雜貨船，該型散貨船總長(zhǎng)為180 m，兩柱間長(zhǎng)為179.9 m，型寬為30 m，型深為15.2 m，設(shè)計(jì)吃水為9.5 m，載重量為38 500 t，入級(jí)LR船級(jí)社。為了提高造船效率，在建造過程中決定將該船尾部4個(gè)分段合并成1個(gè)總段后進(jìn)行吊裝，以達(dá)到縮短船塢周期的目的。

船體吊裝涉及結(jié)構(gòu)重量重心計(jì)算、吊點(diǎn)位置選取、吊馬型號(hào)選擇和船臺(tái)起重能力等多個(gè)方面，是一項(xiàng)非常復(fù)雜的造船工藝。因此，在艉部總段吊裝前，需對(duì)整體吊裝方案進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行必要的調(diào)整和優(yōu)化，確保吊裝工程安全[1]。

目前，船體結(jié)構(gòu)吊裝分析的主要方法有經(jīng)驗(yàn)法、總體分析法和有限元分析法[2-4]。本文采用BLS(Block Lifting System)船舶吊裝仿真軟件對(duì)該散貨船尾部總段吊裝進(jìn)行計(jì)算。應(yīng)用該軟件的TRIBON接口及網(wǎng)格劃分工具可快速導(dǎo)入船體結(jié)構(gòu)并劃分有限元模型。該軟件可按照預(yù)定的吊裝方案進(jìn)行吊點(diǎn)、吊馬和吊排等起吊設(shè)置，通過三維仿真模塊模擬船體結(jié)構(gòu)的實(shí)際吊裝過程，計(jì)算有限元模型的位移邊界條件和力的邊界條件，并進(jìn)行有限元計(jì)算分析。

1 艉部總段概況

艉部總段E1由EB01、AB01、EG11、EG12P/S組成，E1總段的基本信息如表1所示，總段質(zhì)量為510 t，吊馬共計(jì)16個(gè)，總段質(zhì)量包括船體結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道、舾裝等質(zhì)量。艉部總段的吊裝方案如圖1所示：兩臺(tái)上小車排布在總段的左舷，上小車吊鉤與左舷主甲板上4個(gè)D40型吊馬和左舷外板上4個(gè)E40型吊馬相連，下小車與右舷主甲板上8個(gè)D40型吊馬相連。吊裝時(shí)3臺(tái)小車一起平吊，完成艉部總段的總組搭載。

表1 艉部總段吊裝基本信息

圖1 艉部總段吊裝模型

為保證艉部結(jié)構(gòu)在吊裝過程中的強(qiáng)度，設(shè)置臨時(shí)加強(qiáng)如下：

(1) 在左舷艉部平臺(tái)與舷側(cè)艙室壁間設(shè)置工字鋼臨時(shí)加強(qiáng)，如圖2所示。

圖2 左舷臨時(shí)加強(qiáng)

(2) 在右舷主甲板與外板間設(shè)置工字鋼臨時(shí)加強(qiáng)，如圖3所示。

圖3 右舷臨時(shí)加強(qiáng)

在該吊裝及加強(qiáng)方案中，對(duì)吊馬區(qū)域的板厚進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，將吊馬區(qū)域的甲板厚度從8 mm提高到14 mm，在吊馬反面增加邊長(zhǎng)為250 mm、厚度為14 mm的三角肘板。

2 船體尾部總段有限元計(jì)算模型

通過BLS軟件的TRIBON接口，直接導(dǎo)入艉部總段的三維模型，并設(shè)置幾何和材料屬性。通常應(yīng)力集中部位大多出現(xiàn)在吊馬附近和開口結(jié)構(gòu)處，按照這一規(guī)律，在導(dǎo)入艉部總段時(shí)，對(duì)模型作合理簡(jiǎn)化：移除板縫及管穿孔，去除直徑小于300 mm的小孔，忽略尺寸較小的肘板，采用等效梁元模擬縱骨的型材等。

導(dǎo)入模型后采用笛卡爾坐標(biāo)系，原點(diǎn)設(shè)置在船體的FR 0處，x軸以船首方向?yàn)檎瑈軸以向左舷方向?yàn)檎?，z軸以船高方向?yàn)檎⒖贾袊?guó)船級(jí)社《船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南》[5]劃分模型有限元網(wǎng)格，網(wǎng)格為QUAD4四邊形SHELL單元?？刂扑倪呅尉W(wǎng)格的最小角度大于45°，相鄰網(wǎng)格尺寸變化梯度小于1.5。如圖4所示，艉部總段有限元模型共有83 760個(gè)四邊形單元，2 129個(gè)一維板架及肋板屬性。

圖4 艉部總段有限元模型

應(yīng)用BLS吊裝軟件模擬吊裝過程，計(jì)算在平吊過程中各吊馬的受力情況，將其和艉部總段的總質(zhì)量作為有限元模型的外載荷。各吊馬(L 1～L 16)的受力情況如表2所示。

表2 各吊馬的受力情況

3 計(jì)算結(jié)果及安全評(píng)定

3.1 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過BLS內(nèi)部求解器計(jì)算后，艉部總段平吊時(shí)的全局變形云圖如圖5所示，結(jié)構(gòu)的最大變形為23.58 mm，出現(xiàn)在左舷FR 16設(shè)置吊馬的部位。艉部總段平吊時(shí)的全局應(yīng)力云圖如圖6所示，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為267 MPa，出現(xiàn)在左舷FR 18設(shè)置吊馬及加強(qiáng)的部位。

圖5 艉部總段變形計(jì)算結(jié)果

圖6 艉部總段應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

船體設(shè)置吊馬的部位及其他重要結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力結(jié)果如表3所示。

表3 變形及應(yīng)力結(jié)果匯總

3.2 安全評(píng)定

(1) 強(qiáng)度評(píng)定。為保證吊裝作業(yè)安全進(jìn)行，選取吊裝安全因數(shù)s=1.5，艉部總段結(jié)構(gòu)采用A鋼，屈服強(qiáng)度為235 MPa，結(jié)構(gòu)應(yīng)力不允許超過156 MPa(235 MPa/1.5≈156 MPa)，否則認(rèn)為結(jié)構(gòu)在吊裝過程中會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。

由表3可知，艉部總段承受的最大應(yīng)力為267 MPa，大于156 MPa，因此判定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足安全吊裝要求，需在左舷FR 16～FR 20肋位設(shè)置吊馬、甲板強(qiáng)橫梁和縱桁，以及舷側(cè)強(qiáng)肋骨處做臨時(shí)加強(qiáng)。

(2) 變形評(píng)定。結(jié)合船廠工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)在1 000 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)1～3 mm的變形，認(rèn)為整體吊裝是安全的，規(guī)定艉部總段吊裝的變形比例為2/1 000。

艉部總段最大變形為23.6 mm，其所在結(jié)構(gòu)的總尺寸為21 810 mm，變形比例為1/1 000，小于2/1 000，判定結(jié)構(gòu)變形滿足安全吊裝要求。

綜上所述，結(jié)構(gòu)變形在規(guī)定的安全準(zhǔn)則范圍內(nèi)，但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足安全吊裝要求，需做臨時(shí)加強(qiáng)。

4 加強(qiáng)方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

4.1 加強(qiáng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)有限元計(jì)算的評(píng)定結(jié)果，對(duì)強(qiáng)度不足的薄弱部位做臨時(shí)加強(qiáng)，加強(qiáng)方案如下：

(1) 由于左舷吊馬設(shè)置在FR 16～FR 20肋位外板自由邊處，因此將原吊馬反面的肘板加強(qiáng)修改為扁鐵加強(qiáng)，扁鐵規(guī)格為250 mm×14 mm。增加扁鐵加強(qiáng)提高了結(jié)構(gòu)的整體連續(xù)性，從而加強(qiáng)外板自由邊強(qiáng)度。

(2) 由于右舷設(shè)置吊馬區(qū)域的甲板與平臺(tái)之間缺少有效支撐，在非吊馬區(qū)域強(qiáng)橫梁的應(yīng)力較大，因此在FR 29、FR 31肋位處的強(qiáng)橫梁位置增加垂直工字鋼做臨時(shí)加強(qiáng)，從而增加平臺(tái)整體強(qiáng)度，減少平臺(tái)強(qiáng)橫梁應(yīng)力。

(3) 由于右舷船底雙層底與平臺(tái)之間的空間較大，結(jié)構(gòu)較弱，因此將原來(lái)舷側(cè)強(qiáng)肋骨與雙層底內(nèi)底板板間肘板增加至500 mm×500 mm×14 mm，從而減小強(qiáng)肋骨端部應(yīng)力。

4.2 加強(qiáng)方案可行性驗(yàn)證

針對(duì)加強(qiáng)后的艉部總段重新進(jìn)行有限元計(jì)算，加強(qiáng)前后的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表4所示。

表4 加強(qiáng)前后計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表4可知，在重新設(shè)置加強(qiáng)方案后，原局部薄弱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都明顯提高，總體應(yīng)力均降至156 MPa以下，且結(jié)構(gòu)變形明顯減小。由此判斷加強(qiáng)方案可行，能有效提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減小結(jié)構(gòu)變形。

5 結(jié) 論

艉部總段整體吊裝可有效提高搭載效率、縮短船塢周期，為其他船型的建造提供借鑒。根據(jù)優(yōu)化后的吊裝方案，泰州口岸船舶有限公司順利完成載重量38 000 t散貨船尾部總段的吊裝。現(xiàn)場(chǎng)總段吊裝情況如圖7所示。

圖7 艉部總段吊裝現(xiàn)場(chǎng)圖

通過本文計(jì)算分析得出以下結(jié)論：

(1) BLS吊裝軟件可從TRIBON生產(chǎn)設(shè)計(jì)中直接導(dǎo)入船體模型，實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)設(shè)計(jì)模型到有限元模型的轉(zhuǎn)換，并能模擬吊裝過程，大幅節(jié)省船體建模工作量，提高船體吊裝分析效率。

(2) 計(jì)算表明，艉部總段吊裝時(shí)的最大應(yīng)力在左舷外板吊馬附近，如果在吊馬反面增加連續(xù)扁鐵加強(qiáng)，可提高結(jié)構(gòu)連續(xù)性，減少自由邊變形，從而有效減少吊裝時(shí)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形。

(3) 對(duì)于空間較大的艉部總段、艏部總段、機(jī)艙總段吊裝，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部甲板與平臺(tái)之間、不同平臺(tái)之間增加垂直工字鋼加強(qiáng)，可提高結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度，有效實(shí)現(xiàn)力的傳遞。