大型分段吊裝分析方法探究與比較

姜季江

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

0 引言

隨著造船技術的不斷進步，以及對造船效率要求的提高，大型分段或者超大型分段越來越多的應用到船舶合攏階段，以減少吊裝次數(shù)、縮短建造周期。由于大型分段的尺寸較大，舾裝程度較高，吊裝時既要考慮結構強度滿足要求，同時也要考慮船體變形不會對舾裝設備產(chǎn)生破壞。因此，對大型分段進行吊裝分析非常必要。

近些年來，越來越多設計研究人員采用有限元數(shù)值分析方法對分段吊裝進行了模擬。張延昌等[1]利用MSC.Patran&Nastran軟件對上層建筑整體吊裝強度進行了分析，同時設立吊裝前和吊裝過程中2種約束工況來比較應力變化，并合成得到吊裝引起的變形情況；邵逸峰等[2]利用 MSC.Patran&Nastran對大型液化氣船液貨艙整體吊裝進行了分析，并采用桿單元來模擬鋼絲繩。郭俊偉等[3]利用Bently STAAD.PRO軟件對大型海工模塊進行了吊裝分析，并采用彈簧單元來解決吊裝分析中約束不足問題。

本文將以第六代鉆井船的生活樓模塊和鉆臺模塊為例，對吊裝分析方法作進一步探索，并對不同分析方法的結果進行比較研究。

1 有限元模型

1.1 鉆井船生活樓和鉆臺模塊分段

該船生活樓模塊分段長29.3 m、寬34.0 m、高22.4 m，總重1 466.66 t；分別在FR232和FR272各布置2組16個吊點，總計32個吊點。該船鉆臺模塊分段長21.5 m、寬25.6 m、高13.9 m，總重1 189.463 t；分別在左舷距中6 555mm和右舷距中6 045 mm處各布置2組16個吊點，總計32個吊點。

1.2 單元選擇與網(wǎng)格大小

根據(jù)船級社規(guī)范[4-5]要求，有限元分析中所采用的單元類型如下：

板單元：甲板、外板、艙壁、大型肘板、吊耳、強框架腹板等板材結構。

梁單元：甲板和外板縱骨、艙壁扶強材。

桿單元：強框架面板、屈曲加強筋、鋼絲繩。

此外，對于分段內的舾裝設備，可以采用質量單元來模擬。

對于吊裝分析，網(wǎng)格大小通常不超過為一個骨材間距尺寸（s）；鉆井船生活樓和鉆臺結構較為復雜，網(wǎng)格大小分別取為s/2和s/4。吊耳處作為應力集中處，是分析的重點區(qū)域，因此網(wǎng)格大小應取為板厚（t）為宜；有時為了模擬吊孔，網(wǎng)格大小可以接近30 mm～50 mm，但如果過小，則由于板厚尺寸比太大，得到的結果會失真。此外，在吊裝時都會有較大的應力響應的地方，如最下層強梁處的開孔等都需要采用較小的網(wǎng)格尺寸。

圖1 生活樓有限元模型

圖2 生活樓吊耳模擬

圖3 生活樓最下一層強梁開孔模擬

圖4 鉆臺有限元模型

圖5 鉆臺吊耳模擬

1.3 重量重心調整

吊裝分析中，重量重心的準確性至關重要。對于大型分段，可以將重量分為3個等級。

1）鋼結構及附屬品：鋼結構占分段的主要部分，其在有限元模型中均已得到較為細致的模擬。但由于油漆、焊縫、小尺寸肘板等并未在模型中體現(xiàn)，因此，有限元模型重量通常比實際鋼結構重量要小。另外，很多設備如內裝板、電纜等都是沿著鋼結構進行布置的，可以將其看作是鋼結構的附屬品。對于鋼結構重量差值和內裝板等重量，可以通過加大材料密度來實現(xiàn)。

2）大型設備：大型設備重量較重，通常采用MPC加質量點的方式施加各設備的實際位置處，質量點的重量重心屬性與設備保持一致。

3）其他家具家電、小型設備：這一類設備由于布置在甲板上較為分散且重量較輕，可以以均布質量點的方式施加在分段各層甲板。

在調整重量重心過程中，應先將1）和2）中的重量重心調整到位，然后根據(jù)剩余重量差值和重心偏差來確定 3）的均布質量大小和布置范圍，最終將模型重量重心調整到與理論統(tǒng)計值相一致。

2.4 載荷條件分析

大型分段吊裝時載荷可以分為：自重、環(huán)境條件下的風載荷以及起重機起升所產(chǎn)生的慣性力附加。

對于自重，在有限元分析中，直接施加?9.81 m/s2的重力加速度；

至于風載荷，由于吊裝時都會選擇天氣良好的情況下進行，風力較小且與總重比差別較大，對吊裝分析結果影響不大，可以忽略；

起重機起升所產(chǎn)生的慣性力附加，一般是以一定系數(shù)加在重力加速度上，根據(jù)相關規(guī)范[6]，取1.2。

2.5 邊界條件分析

邊界條件的設立，直接影響吊裝分析的準確性。目前，主流的方法有3種。

1）分為2種約束工況：一是吊裝前工況約束分段底部X（縱向）、Y（橫向）和Z（垂向）3個方向平動自由度；二是吊裝過程中約束其中一個角點處吊點X、Y和Z3個方向平動自由度，其余吊點則只約束Z向平動自由度。

2）將所有載荷經(jīng)過理論計算得到所有吊耳處的拉力，并直接加載在吊耳處，然后在重心位置處約束X向和Z自由度；

3）將鋼絲繩模擬出來，然后在鋼絲繩頂部約束X、Y和Z3個方向平動自由度，并為了避免約束不足，需要在模型兩側中心位置處補充平動約束。

將以上3種方法均在生活樓分段和鉆臺分段進行吊裝分析，得到以下結論。

1）第一種約束方法：其每組吊點處的支反力均不一致，而且由于每個吊點約束了垂向自由度，即平臺最終變形只有中部凹陷，但整體是平的。這與實際情況不一致。根據(jù)吊裝布置，每一側的吊點是通過一系列定滑輪和動滑輪以及鋼絲繩連接，在吊裝過程中，每一組吊點處的支反力幾乎一致。而且，由于重心偏差，在起吊瞬間不調整浮吊吊臂及其主纜的情況下，被吊分段是會有所傾斜和旋轉的。

2）第二種約束方法：理論上該方法對于吊耳是比較準確的，但是由于鉆臺分段重心位置處是空的，根本無法施加類似約束，分析無法進行。而生活樓吊裝分析中，會出現(xiàn)約束不足的現(xiàn)象。

3）第三種約束方法：分析可以順利進行，但是每組吊點處的鋼絲繩支反力差別較大。這主要是由于被吊分段自身每一處的剛度不一致，所引起的鋼絲繩變形也不同，并最終導致鋼絲繩軸向力和支反力也不一樣，這與實際情況也是不相符的。

由此可見，上述3種約束方法均有瑕疵，因此需要調整如下：

首先，將鋼絲繩按實際長度和角度模擬，并采用常用鋼絲繩彈性模量，本文中取140 GPa；然后在鋼絲繩頂部約束X、Y和Z3個方向平動自由度，并為了避免約束不足，需要在模型兩側中心位置處補充平動約束。然后開始第一次試算。在第一次試算結束以后，對所有鋼絲繩支反力進行匯總，并與理論值進行對比。根據(jù)計算值與理論值的比值，來調整每一根鋼絲繩的彈性模量，同時稍微調整兩側平動約束點，以保證平動約束點處的支反力不能過大，調整好后進行第二次計算。如此重復數(shù)次以后，可以將每組鋼絲繩的支反力調整到較為一致的結果。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，支反力與理論值相差 5%以內時，僅吊耳處的應力有所差別，但對被吊分段本身影響不大，此時的模型，可以用作最終的吊裝分析。

3 結果分析

按照調整鋼絲繩剛度和約束條件以后的生活樓及鉆臺分段吊裝分析結果如圖6和圖7所示。

圖6 生活樓吊裝

從結果可以看出，鋼絲繩支反力較為接近，吊點處應力分布均勻，符合實際情況；兩個分段的變形分別只有23.4 mm和10.4 mm，扣除鋼絲繩的拉伸變形，分段的變形將更小，滿足吊裝要求。同時2個分段模型吊裝分析顯示略有傾斜和旋轉，經(jīng)過實際吊裝觀察，情況一致。由此可見，調整以后的吊裝分析完全合理。

4 結論

根據(jù)目前主流吊裝分析方法研究發(fā)現(xiàn)，原有的分析方法中對于約束條件的設定存在一定瑕疵。本文提出調整鋼絲繩剛度和平動約束點的方法，可以較為合理的模擬不同大型分段吊裝實際過程中的受力與變形情況，為其他分段吊裝分析起到一定的指導作用。

圖7 鉆臺吊裝