基于三維模型的FSRU上建總段吊裝工藝仿真技術(shù)研究

周 瑜， 夏勇峰， 羅 金， 方仁俠

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

0 引 言

浮式再氣化裝置(floating storage and re-gasification unit， FSRU)是一種集液化天然氣(liquefied natural gas， LNG)接收、存儲、轉(zhuǎn)運(yùn)、再氣化外輸?shù)榷喾N功能于一體的特種裝備，配備推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，兼具LNG運(yùn)輸船功能。本文研究對象是由滬東中華造船集團(tuán)有限公司為希臘船東建造的全球最先進(jìn)、國內(nèi)首款大型FSRU船，該船型總長294 m，型寬46.9 m，型深26.2 m。其上層建筑總段集船體結(jié)構(gòu)和各類舾裝件為一體，是該船一體化完整性最高的“中間產(chǎn)品”，由PD42PS、 PD52PS、 PD62PS、 PD63PS和PD72PS共10個(gè)分段組成，其長、寬、高尺寸為25.5 m×47 m×25.1 m，其分段劃分圖和船舶產(chǎn)品設(shè)計(jì)(ship product design， SPD)三維設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

圖1 SPD上建總段模型

根據(jù)船廠《重大件吊裝安全管理規(guī)定》： 凡是上層建筑整體吊裝的吊物均屬于重大件。在船舶建造過程中，重大件總段整體吊裝的安全性一直以來都是船廠較為關(guān)注的關(guān)鍵性技術(shù)難點(diǎn)，且其吊裝過程中的精度控制尤為重要，故對FSRU船的上層建筑總段吊裝工藝的模擬仿真分析意義重大。

本研究主要基于TSV(TechnoStar VENUS)軟件和SPD軟件進(jìn)行，其中TSV軟件是由日本泰科諾斯達(dá)株式會社開發(fā)的一款船舶分段吊裝仿真應(yīng)用軟件，該軟件能夠三維模擬船體分總段吊裝的過程，并直觀地展示各個(gè)吊環(huán)、鋼絲繩的受力和船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形分布情況，目前普遍應(yīng)用于日本三井造船、韓國三星重工以及國內(nèi)黃埔文沖等數(shù)十家造船企業(yè)中[1]。而SPD軟件是由中國船舶工業(yè)集團(tuán)有限公司完全自主研發(fā)的一款船舶產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件。它能夠?qū)崿F(xiàn)殼、舾、涂全專業(yè)并行的三維設(shè)計(jì)，緊密貼合造船生產(chǎn)設(shè)計(jì)實(shí)際，在國家重大裝備制造產(chǎn)業(yè)中是唯一具有自主知識產(chǎn)權(quán)并且產(chǎn)品化的三維設(shè)計(jì)平臺，目前已推廣至國內(nèi)230多家企業(yè)、研究院所和高校。本研究將SPD軟件與TSV軟件結(jié)合應(yīng)用，能夠有效地利用統(tǒng)一三維模型進(jìn)行工藝仿真。

1 研究的技術(shù)方案

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]。而國內(nèi)大部分船廠的船體結(jié)構(gòu)吊裝分析采用經(jīng)驗(yàn)法和總體分析法，設(shè)計(jì)人員憑借經(jīng)驗(yàn)并根據(jù)船體結(jié)構(gòu)的重量、重心通過簡單的計(jì)算來確定吊點(diǎn)位置和加強(qiáng)方案，沒有相關(guān)的標(biāo)注設(shè)計(jì)規(guī)范，這勢必將導(dǎo)致吊馬利用率不高，加強(qiáng)材應(yīng)用不合理，安裝拆除工作量大等問題。當(dāng)然也有部分船廠會使用有限元分析法進(jìn)行船體吊裝工藝仿真分析，即主要依靠MSC.PATRAN/NASTRAN、 ANSYS等通用有限元軟件進(jìn)行仿真分析，這存在大量的重復(fù)性建模，不符合單一數(shù)據(jù)源的理念；有限元網(wǎng)格劃分仍通過手工進(jìn)行，消耗了大量的設(shè)計(jì)工時(shí)，不能快速地對吊裝工藝方案進(jìn)行優(yōu)化迭代，影響了設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

本研究主要基于TSV軟件，利用統(tǒng)一的SPD三維設(shè)計(jì)模型，對總段吊裝工藝進(jìn)行仿真模擬和有限元計(jì)算分析，來保證吊裝工藝方案的準(zhǔn)確性、吊裝過程的安全性、快速搭載的可行性，從而大大提高舾裝預(yù)裝率，確保中間產(chǎn)品完整性，通過精細(xì)制造，縮短建造周期、降低成本[3]。其技術(shù)流程如圖2所示。

其中，吊裝工藝仿真主要包括統(tǒng)一三維模型的轉(zhuǎn)換、仿真模型的設(shè)置，并根據(jù)吊裝方案進(jìn)行吊裝設(shè)置，繼而進(jìn)行動力學(xué)仿真計(jì)算，求得各吊裝工況下船體結(jié)構(gòu)的受力。有限元評估分析是在吊裝模型通過網(wǎng)格劃分形成有限元模型后，加載各工況下吊裝模型的受力，形成有限元分析文件，遞交求解器進(jìn)行計(jì)算求解，然后結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核。

2 吊裝方案設(shè)計(jì)

根據(jù)已創(chuàng)建好的SPD三維模型和各專業(yè)室反饋，匯總了各專業(yè)結(jié)構(gòu)和舾裝件的重量，得到該上層建筑總段總重量為688 t，其中包含結(jié)構(gòu)重量約為457 t，舾裝重量為231 t，以原船坐標(biāo)系為總體坐標(biāo)系，即原點(diǎn)設(shè)置在船體的FR0處，x軸以船艏方向?yàn)檎?，y軸以左舷方向?yàn)檎?，z軸以船高方向?yàn)檎渲匦奈恢脼椋簒=FR59+340，y=-0.04 m，z=45.45 m，如表1和表2所示。

圖2 技術(shù)流程圖

表1 上建結(jié)構(gòu)重量、重心統(tǒng)計(jì)

表2 上建舾裝重量統(tǒng)計(jì)

(續(xù) 表)

另考慮到龍門吊的吊排自重約為125 t，卸扣、鋼絲繩等吊索具重量約為25 t，故整個(gè)上建總段起吊重量約為838 t。船塢布置2臺600 t龍門吊，其基本參數(shù)如表3所示。

表3 600 t龍門吊參數(shù)

(續(xù) 表)

根據(jù)FSRU船上層建筑的外形尺寸、結(jié)構(gòu)形式和重量、重心分布特點(diǎn)，擬采用2臺600 t龍門吊聯(lián)吊方式進(jìn)行吊裝搭載。其重心靠近船體中心線，重量分布基本左右對稱，根據(jù)力的傳遞特點(diǎn)，吊排適合布置在駕駛甲板的兩舷外圍壁處，前后各4個(gè)吊點(diǎn)位置，根據(jù)重心對稱布置，即吊裝時(shí)單邊各使用8個(gè)吊點(diǎn)，總計(jì)16個(gè)吊點(diǎn)，單個(gè)吊點(diǎn)受力約為42 t。吊點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 吊點(diǎn)布置圖

3 有限元分析及優(yōu)化

3.1 仿真模型創(chuàng)建

通過SPD軟件將已經(jīng)建立好的上層建筑的三維模型導(dǎo)出成.XML格式文件，并將該文件導(dǎo)入TSV軟件中，形成吊裝仿真模型。根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》中有限元相關(guān)規(guī)定，對上建船體模型進(jìn)行四邊形網(wǎng)格劃分，控制網(wǎng)格的平均大小為200 mm×200 mm，最小角度大于45°，相鄰網(wǎng)格尺寸變化小于1.25[4]，生成相應(yīng)的有限元網(wǎng)格模型。同時(shí)將船體模型的各個(gè)板材屬性附到其網(wǎng)格模型上，并檢查網(wǎng)格質(zhì)量和屬性信息的完整性。

根據(jù)初定的吊裝方案，采用2臺龍門吊聯(lián)吊的方式進(jìn)行吊裝，且16個(gè)吊點(diǎn)根據(jù)重心均布在駕駛甲板上，擬采用4個(gè)吊點(diǎn)來模擬起吊工況。通過TVS軟件，進(jìn)行起吊設(shè)置，確定其重量重心位置、初始吊裝基面、吊點(diǎn)位置和吊索具選用情況，并在網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)上創(chuàng)建相關(guān)的簡化模型，設(shè)定向下的重力加速度為-9.8 m/s2，如圖4所示。

圖4 上建仿真模型

3.2 校核標(biāo)準(zhǔn)

為保證吊裝作業(yè)的安全性，根據(jù)日韓等先進(jìn)船廠以往的設(shè)計(jì)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)應(yīng)力上來看，選取船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力安全系數(shù)為1.5，即結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力為屈服應(yīng)力/1.5。從變形上來看，當(dāng)結(jié)構(gòu)的最大變形值小于等于最大尺寸/800時(shí)，則認(rèn)為其整體剛度滿足吊裝要求[5]。該上建最大尺寸為寬度47 m，故其變形量需控制在59 mm以內(nèi)。

就精度控制而言，目前沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來約束船體結(jié)構(gòu)的吊裝精度。但是上建總段吊裝完成后，需與其下方的船體結(jié)構(gòu)做對接定位和裝配，為保證其定位的準(zhǔn)確性，需要控制其小口變形量，越小越好。

3.3 計(jì)算分析

同樣利用TVS軟件中的模擬分析模塊，對模擬好的上建網(wǎng)格模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算。由于該總段在起吊過程中勻速上升，不考慮其他環(huán)境因素的影響，故可以忽略其上升的加速度。計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)在吊裝過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大為148.5 MPa，出現(xiàn)在艉部吊排靠艏端吊孔下方的圍壁板上，其應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 上建初定方案應(yīng)力分布

其結(jié)構(gòu)變形為32 mm，位于艉部下口自由端處，變形分布如圖6所示。

圖6 上建初定方案變形分布

吊點(diǎn)下方的鋼板厚度為8 mm，材質(zhì)為普通A級鋼，其鋼材的屈服應(yīng)力為235 MPa，取1.5倍安全系數(shù)，則其許用應(yīng)力為157 MPa。根據(jù)上述有限元分析計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)上層建筑吊點(diǎn)布置較為集中，吊點(diǎn)下方圍壁上的應(yīng)力最大，為148.5 MPa，與許用應(yīng)力值較為接近，考慮焊接過程中的焊縫存在部分殘余應(yīng)力[6]，故相對比較危險(xiǎn)，需做吊點(diǎn)及加強(qiáng)布置優(yōu)化。

另外，上建整體寬度較大，吊點(diǎn)布置在左右圍壁處，艉部下口自由端角點(diǎn)處相對變形量最大，為32 mm，最好也做相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

3.4 方案優(yōu)化及分析

對上述問題進(jìn)行以下優(yōu)化，如圖7和圖8所示。

(1) 為減少艉部下口自由端變形量，在上層建筑下口往上200 mm處的外圍壁上增加#20槽鋼加強(qiáng)，并用#20槽鋼將上層建筑艉部下口自由端角點(diǎn)與后圍壁斜拉起來[7]。

(2) 為避免吊點(diǎn)布置較為集中，改變上層建筑左右圍壁上的吊排形式，增加單個(gè)吊排的吊孔至8個(gè)，即單邊16個(gè)吊點(diǎn)。

(3) 為增加吊點(diǎn)下方圍壁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將其局部板厚由8 mm增加至12 mm。

對優(yōu)化后的方案進(jìn)行網(wǎng)格模型修改，并模擬吊裝，如圖9所示。

對修改好的上建網(wǎng)格模型進(jìn)行有限元計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在吊裝過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大為55.6 MPa，出現(xiàn)在艉部吊排靠艉端吊孔下方的圍壁上，遠(yuǎn)小于其鋼材的許用應(yīng)力157 MPa，其應(yīng)力分布如圖10所示。

圖7 上建加強(qiáng)優(yōu)化

圖8 上建結(jié)構(gòu)及吊點(diǎn)優(yōu)化

圖9 上建優(yōu)化吊裝方案模擬

圖10 上建優(yōu)化吊裝方案應(yīng)力分布

其結(jié)構(gòu)最大彈性變形為11 mm，出現(xiàn)在艉端面下口自由端的角點(diǎn)處，變形分布如圖11所示。

圖11 上建優(yōu)化吊裝方案變形分布

上建總段的吊裝方案在優(yōu)化前后對比如表4所示。

表4 上建優(yōu)化前后對比

根據(jù)上述有限元分析計(jì)算結(jié)果可以得出，上建總段的吊裝及加強(qiáng)方案在優(yōu)化后，其吊裝至搭載的過程中應(yīng)力均在要求的范圍內(nèi)，變形量也得到了有效的控制，并且進(jìn)一步提高了吊裝作業(yè)的安全性，減少了整體結(jié)構(gòu)變形，更好地滿足了精度控制要求，為最終的生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和技術(shù)支持。

4 結(jié) 語

本文基于TSV軟件，以船廠自主研發(fā)的SPD軟件為平臺，利用統(tǒng)一的三維設(shè)計(jì)模型，并結(jié)合“中間產(chǎn)品”完整性的設(shè)計(jì)理念，開展了基于三維模型的FSRU船上建總段吊裝工藝仿真技術(shù)研究。該研究得出以下結(jié)論：

(1) 多個(gè)吊點(diǎn)的布置和船體結(jié)構(gòu)板厚的增加，能有效地減少船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力，從而避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

(2) 利用統(tǒng)一的三維模型，單一的數(shù)據(jù)源，進(jìn)行吊裝工藝仿真，能夠有效地避免重復(fù)性建模，加快設(shè)計(jì)方案的確定和優(yōu)化迭代，節(jié)省大量的設(shè)計(jì)工時(shí)，提高設(shè)計(jì)效率。

(3) 利用吊裝模擬仿真技術(shù)，建立三維數(shù)據(jù)空間[8]，通過模擬船體的吊裝過程來幫助設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)工藝方案中潛在的不足和隱患，能有效地保證工藝方案的準(zhǔn)確性，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少事故發(fā)生。