基于三維模型的船舶舷側(cè)工藝孔開(kāi)孔工序前移技術(shù)

萬(wàn) 莉， 夏勇峰， 羅 金

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129)

0 引 言

貨艙舷側(cè)工藝孔是船舶在船塢內(nèi)施工時(shí)的重要通道，舷側(cè)工藝孔開(kāi)孔階段的工序前移能為后續(xù)貨艙在船塢內(nèi)的施工贏得寶貴時(shí)間，是縮短船舶建造周期的有效手段。為了節(jié)省碼頭周期，一般情況下，船舶貨艙內(nèi)部的施工在船塢階段相關(guān)船體結(jié)構(gòu)搭載結(jié)束后就開(kāi)始進(jìn)行。

為保證舷側(cè)總段的吊裝強(qiáng)度和安全性，一般在貨艙相關(guān)船體結(jié)構(gòu)全部搭載結(jié)束之后再開(kāi)設(shè)舷側(cè)工藝孔，整個(gè)施工的周期較長(zhǎng)，且高空作業(yè)的安全性相對(duì)較差。若能將開(kāi)孔階段前移，并提前安裝好在工藝孔上搭設(shè)通道用的工藝門(mén)框裝置，在舷側(cè)總段搭載結(jié)束之后即可直接鋪設(shè)專用通道，為貨艙內(nèi)部作業(yè)施工提前和船塢周期縮短提供有力保障。

1 不同階段開(kāi)孔的優(yōu)缺點(diǎn)分析

某型船共有2個(gè)貨艙，每個(gè)貨艙的左舷都設(shè)置有1個(gè)舷側(cè)開(kāi)孔，其中，外板開(kāi)孔的尺寸為4 900 mm×3 540 mm，內(nèi)縱壁開(kāi)孔的尺寸為4 000 mm×3 100 mm，水平截面呈梯形(見(jiàn)圖1)。

圖1 舷側(cè)開(kāi)孔示意

這2個(gè)工藝孔分別屬于CS22P分段和CS25P分段，其所在總段分別為CZ21P和CZ22P。下面對(duì)在分段建造、平臺(tái)總組和船塢搭載等3個(gè)階段進(jìn)行舷側(cè)工藝孔開(kāi)孔的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，由此確定適合進(jìn)行舷側(cè)工藝孔開(kāi)孔的階段。圖2～圖4分別為在這3個(gè)階段進(jìn)行舷側(cè)工藝孔開(kāi)孔的模型示意。

圖2 分段建造階段舷側(cè)工藝孔開(kāi)孔示意

圖3 平臺(tái)總組階段舷側(cè)工藝孔開(kāi)孔示意

圖4 船塢搭載階段舷側(cè)工藝孔開(kāi)孔示意

1.1 分段建造階段開(kāi)孔優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.1.1 優(yōu)點(diǎn)分析

1) 在分段階段進(jìn)行舷側(cè)總段開(kāi)孔完全符合工序前移的理念，能大幅縮短后續(xù)船塢周期，為貨艙內(nèi)部提前施工創(chuàng)造條件。

2) CS22P分段和CS25P分段以外板基面臥態(tài)建造，分段開(kāi)孔屬于平地作業(yè)，施工的安全性較高。從施工周期的角度看，在分段建造階段開(kāi)孔，2個(gè)工人約需2.5 d時(shí)間完成。

3) 切割作業(yè)基本上為俯態(tài)作業(yè)，比仰態(tài)作業(yè)舒適很多，對(duì)提高施工效率和施工質(zhì)量有積極影響。

4) 開(kāi)工藝孔時(shí)切割下來(lái)的船體結(jié)構(gòu)零件便于移出和運(yùn)輸，施工周期約為0.5 d。

1.1.2 缺點(diǎn)分析

1) 相對(duì)于分段尺寸來(lái)說(shuō)，工藝孔的尺寸太大，在分段建造、沖砂涂裝、吊裝和運(yùn)輸過(guò)程中需額外增加大量的工藝件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。該船采用貨艙面油漆要求較高，任何火工都會(huì)對(duì)其造成破壞，要求貨艙面開(kāi)孔四周不能設(shè)置加強(qiáng)材。

2) 工藝孔邊與分段大接頭之間的最近距離僅為888 mm，分段在建造過(guò)程中需翻身2次，無(wú)論是翻身還是吊裝和運(yùn)輸，產(chǎn)生變形的風(fēng)險(xiǎn)都很大。分段翻身過(guò)程的有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。從圖5中可看出，分段建造階段開(kāi)孔后翻身過(guò)程的應(yīng)力約為22 MPa，滿足強(qiáng)度要求；從圖6中可看出，分段的最大變形達(dá)到了23 mm，變形值較大。

圖5 分段建造階段舷側(cè)工藝孔開(kāi)孔應(yīng)力云圖

圖6 分段建造階段舷側(cè)工藝孔開(kāi)孔變形云圖

1.2 平臺(tái)總組階段開(kāi)孔優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.2.1 優(yōu)點(diǎn)分析

1) 在平臺(tái)總組階段進(jìn)行舷側(cè)工藝孔開(kāi)孔符合工序前移的理念，能大幅縮短后續(xù)船塢周期，為貨艙內(nèi)部提前施工創(chuàng)造條件。

2) 舷側(cè)總段在平臺(tái)上屬于臥態(tài)總組，開(kāi)孔施工平地化，不存在高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。從施工周期的角度看，在平臺(tái)總組階段開(kāi)孔，2個(gè)工人約需2.5 d時(shí)間完成。

3) 切割作業(yè)基本上為俯態(tài)作業(yè)，比仰態(tài)作業(yè)舒適很多，對(duì)提高施工效率和施工質(zhì)量有積極影響。

4) 開(kāi)工藝孔時(shí)切割下來(lái)的船體結(jié)構(gòu)零件便于移出和運(yùn)輸，施工周期約為0.5 d。

5) 相對(duì)于分段來(lái)說(shuō)，舷側(cè)總段由3個(gè)分段總組而成，結(jié)構(gòu)尺寸比分段大很多，工藝孔開(kāi)在舷側(cè)總段的中部，吊裝變形風(fēng)險(xiǎn)比分段小很多。

6) 工藝孔開(kāi)設(shè)完畢之后，可在該階段安裝工藝孔門(mén)框工裝，能縮短后續(xù)船塢平臺(tái)到貨艙內(nèi)部的專用通道搭設(shè)時(shí)間(約1.5 d)。

1.2.2 缺點(diǎn)分析

1) 由于舷側(cè)開(kāi)孔尺寸太大，在舷側(cè)臥態(tài)總組階段開(kāi)孔，總段在翻身搭載過(guò)程中，開(kāi)孔處存在變形風(fēng)險(xiǎn)。

2) 該船采用的貨艙面油漆的要求很高，任何火工都會(huì)對(duì)其造成破壞，從而影響整個(gè)貨艙的涂層。因此，貨艙面開(kāi)孔四周不能設(shè)置加強(qiáng)材。

1.3 船塢搭載階段開(kāi)孔優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.3.1 優(yōu)點(diǎn)分析

在船塢搭載階段開(kāi)孔，所在舷側(cè)總段已完成翻身吊裝作業(yè)，且整個(gè)貨艙結(jié)構(gòu)都已搭載結(jié)束，結(jié)構(gòu)剛性有了保證。在船塢搭載階段開(kāi)孔對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響不大，無(wú)需在開(kāi)孔處設(shè)置額外的臨時(shí)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

1.3.2 缺點(diǎn)分析

1) 在船塢搭載階段開(kāi)設(shè)舷側(cè)開(kāi)孔需等到整個(gè)貨艙相關(guān)結(jié)構(gòu)搭載完畢之后才能進(jìn)行，以避免舷側(cè)開(kāi)孔造成貨艙搭載精度不滿足要求，施工等待周期較長(zhǎng)。

2) 舷側(cè)開(kāi)孔底部在高度上距離船體基線8 874 mm，加上塢墩和墊木高度1 800 mm，開(kāi)孔底部在高度上距離船塢地面超過(guò)了10 m，在船塢搭載階段施工屬于高空作業(yè)，除了需配置相應(yīng)的高空液壓車等設(shè)備以外，對(duì)施工效率和安全性都有不利影響。從施工周期的角度看，在船塢搭載階段開(kāi)孔，2個(gè)工人約需8 d時(shí)間完成，占用吊車和高空液壓車各1臺(tái)。

3) 開(kāi)孔部位涉及船體外板、船體內(nèi)縱壁和這2層板架間的所有構(gòu)件，即整個(gè)舷側(cè)壓載艙在開(kāi)孔處的內(nèi)部構(gòu)件需全部割除，便于后續(xù)鋪設(shè)進(jìn)出貨艙通道，這些割除的板架零件都需從船體內(nèi)部移出，對(duì)于船塢階段的高空作業(yè)來(lái)說(shuō)，工作量很大，施工周期約為3 d。

1.4 最佳開(kāi)孔階段選取

綜合對(duì)比在分段建造、平臺(tái)總組和船塢搭載等3個(gè)階段進(jìn)行舷側(cè)工藝孔開(kāi)孔的優(yōu)缺點(diǎn)之后可發(fā)現(xiàn)，在平臺(tái)總組階段開(kāi)設(shè)舷側(cè)開(kāi)孔是合理的，且存在可行性，將舷側(cè)工藝孔開(kāi)孔階段前移，能給后續(xù)貨艙內(nèi)部的施工提供先決條件。此外，從施工周期的角度看：分段建造階段與平臺(tái)總組階段的開(kāi)孔時(shí)間和零件移運(yùn)時(shí)間均相同，分別為2.5 d和0.5 d，但通過(guò)有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在分段建造階段開(kāi)孔變形量較大，不符合精度要求，因此不可?。淮瑝]搭載階段的開(kāi)孔時(shí)間是平臺(tái)總組階段開(kāi)孔時(shí)間的3.2倍(約為8 d)，零件移運(yùn)時(shí)間是平臺(tái)總組階段的6倍(約3 d)，且需長(zhǎng)時(shí)間占用吊車和液壓車資源。

因此，最終選擇在平臺(tái)總組階段進(jìn)行舷側(cè)工藝孔開(kāi)孔，通過(guò)綜合分析開(kāi)孔所在舷側(cè)總段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、總組方式、涂裝要求、起吊設(shè)備和場(chǎng)地布置等因素的影響，對(duì)平臺(tái)總組階段開(kāi)孔技術(shù)進(jìn)行研究，圍繞吊裝方案編制和吊裝強(qiáng)度校核進(jìn)行分析。

2 平臺(tái)總組階段開(kāi)孔技術(shù)

2.1 吊裝方案設(shè)計(jì)

該船需開(kāi)孔的舷側(cè)總段為CZ21P和CZ22P，每個(gè)總段均由3個(gè)分段合攏而成。以CZ21P總段為例，該總段包含CS21P、CS22P和CS23P等3個(gè)分段，其在舾裝件安裝完整情況下的質(zhì)量為146 t，開(kāi)孔位于總段的重心附近。綜合分析總段吊裝方式，結(jié)合總段結(jié)構(gòu)的分布特點(diǎn)和開(kāi)孔部位，為使整個(gè)總段吊運(yùn)過(guò)程中，所有船體結(jié)構(gòu)都能平均參與受力，從負(fù)荷平衡的角度編制吊裝方案，基于SPD船舶設(shè)計(jì)軟件中的船體結(jié)構(gòu)模型對(duì)吊環(huán)等工藝件進(jìn)行建模，吊環(huán)布置圖見(jiàn)圖7。

圖7 舷側(cè)總段搭載吊環(huán)布置

對(duì)龍門(mén)吊3個(gè)吊鉤的受力情況進(jìn)行初步計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 龍門(mén)吊各鉤受力情況

2.2 吊裝強(qiáng)度校核

為避免在開(kāi)孔處增加額外的工藝件加強(qiáng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致貨艙涂層遭到破壞，以CZ21P總段為例，借助TSV-BLS吊裝計(jì)算分析軟件，在不增加工藝件加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的情況下對(duì)舷側(cè)總段在起吊、翻身和搭載過(guò)程中的典型工況進(jìn)行應(yīng)力和變形分析?；诮y(tǒng)一三維模型的船舶智能化設(shè)計(jì)理念，需將SPD軟件中的船體結(jié)構(gòu)模型和吊環(huán)模型等三維模型導(dǎo)入TSV-BLS吊裝軟件中，以統(tǒng)一的三維模型為基礎(chǔ)，驗(yàn)證吊裝工藝的合理性，消除變形風(fēng)險(xiǎn)，最終實(shí)現(xiàn)舷側(cè)總段平臺(tái)總組階段開(kāi)孔技術(shù)的應(yīng)用。

CZ21P總段搭載的初始狀態(tài)為臥態(tài)，此時(shí)重心位于上升吊環(huán)與下降吊環(huán)連線的下方，根據(jù)翻身吊裝過(guò)程中舷側(cè)總段吊環(huán)載荷的變化規(guī)律，翻身過(guò)程中下降吊環(huán)的載荷將逐漸變小，上升吊環(huán)的載荷將逐漸變大，為更真實(shí)地反映總段翻身搭載過(guò)程，分別選取總段平吊、總段翻身和總段豎直搭載等3種狀態(tài)進(jìn)行有限元分析。

2.2.1 總段平吊時(shí)受力分析

通過(guò)有限元分析得到CZ21P總段在起吊離地過(guò)程中，即外板與地面平行時(shí)，最大應(yīng)力約為120 MPa(發(fā)生在平臺(tái)板FR75肋位附近，小于許用應(yīng)力235 MPa)，最大變形約為7.8 mm(彈性變形，發(fā)生在內(nèi)縱壁與FR72下口相交處)，應(yīng)力和變形云圖分別見(jiàn)圖8和圖9。

圖8 總段平吊時(shí)的應(yīng)力云圖

圖9 總段平吊時(shí)的變形云圖

由上述受力和變形分析可知，在平吊狀態(tài)下，開(kāi)孔及其四周的結(jié)構(gòu)都符合吊裝的變形和應(yīng)力要求。

2.2.2 總段翻身時(shí)受力分析

隨著吊裝的持續(xù)進(jìn)行，上升吊環(huán)的鋼絲繩開(kāi)始縮短，下降吊環(huán)的鋼絲繩開(kāi)始伸長(zhǎng)，總段進(jìn)入翻身階段，選取外板與地面夾角為15°作為典型案例，通過(guò)有限元分析可得出，此時(shí)最大應(yīng)力約為138 MPa(發(fā)生在平臺(tái)板FR75肋位附近，小于許用應(yīng)力235 MPa)，最大變形約為7.4 mm(彈性變形，發(fā)生在內(nèi)縱壁與FR72下口相交處)，應(yīng)力和變形云圖分別見(jiàn)圖10和圖11。

圖10 總段翻身15°時(shí)的應(yīng)力云圖

圖11 總段翻身15°時(shí)的變形云圖

由上述受力和變形分析可知，在舷側(cè)總段翻身過(guò)程中，開(kāi)孔及其四周的結(jié)構(gòu)都符合吊裝的變形和應(yīng)力要求。

2.2.3 總段豎直搭載時(shí)受力分析

翻身繼續(xù)進(jìn)行，直到總段處于豎直搭載狀態(tài)，即外板與地面夾角為90°時(shí)，通過(guò)有限元分析可得出，此時(shí)最大應(yīng)力約為102.6 MPa(發(fā)生在平臺(tái)板FR75肋位附近，小于許用應(yīng)力235 MPa)，最大變形約為7.5 mm(彈性變形，發(fā)生在舷側(cè)開(kāi)孔處球扁鋼自由端)，應(yīng)力和變形云圖分別見(jiàn)圖12和圖13。

圖12 總段搭載時(shí)的應(yīng)力云圖

圖13 總段搭載時(shí)的變形云圖

由上述受力和變形分析可知，在舷側(cè)總段翻身至90°正態(tài)情況下，開(kāi)孔及其四周結(jié)構(gòu)都符合吊裝的變形和應(yīng)力要求。

通過(guò)對(duì)上述3種典型狀態(tài)下的TSV-BLS吊裝進(jìn)行有限元分析可得出，舷側(cè)總段的吊環(huán)布置方案是符合舷側(cè)總段在總組階段開(kāi)設(shè)工藝孔的吊裝強(qiáng)度要求的，且在平吊、翻身和搭載過(guò)程中均不需要在工藝孔周圍增加額外的工藝件加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)分段建造、平臺(tái)總組和總段搭載等3個(gè)階段開(kāi)設(shè)工藝孔的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，選取平臺(tái)總組階段作為開(kāi)設(shè)工藝孔的最佳階段，開(kāi)展船舶舷側(cè)工藝孔開(kāi)孔階段前移技術(shù)研究。以某型船為例，基于統(tǒng)一的三維模型設(shè)計(jì)舷側(cè)總段吊裝方案，將通過(guò)完整性工藝建模得到的三維模型導(dǎo)入TSV-BLS軟件中，進(jìn)行總段平吊、翻身和搭載等3種狀態(tài)下的吊裝強(qiáng)度校核，驗(yàn)證該吊裝方案的合理性，并最終在該船上得到了成功應(yīng)用，為該船后續(xù)貨艙內(nèi)部的施工創(chuàng)造了良好條件，有效縮短了船塢周期。本文的研究還可為其他類型船舶的舷側(cè)工藝孔開(kāi)孔階段前移提供參考。