巨型總段吊裝方案設(shè)計(jì)及有限元分析

徐爍碩，尚朝陽(yáng)，劉 濤

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引言

船舶建造過(guò)程必然包括吊裝、翻身等過(guò)程，隨著船舶的大型化以及預(yù)舾裝度的逐步提高，在船塢總組階段的總段質(zhì)量也越來(lái)越大，這對(duì)吊裝方案提出更高要求。在設(shè)計(jì)吊裝方案時(shí)，要綜合考慮總段質(zhì)量和質(zhì)心位置、吊車(chē)能力、吊點(diǎn)位置、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)等多方面因素，保證吊裝過(guò)程的安全性。在仿真技術(shù)的支持下，韓國(guó)實(shí)現(xiàn)了5 000 t 的巨型總段建造[1]，而我國(guó)船企目前吊裝能力普遍在400～500 t。由于巨型總段自身質(zhì)量大、各區(qū)域強(qiáng)度不一，在吊裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力不均，故可通過(guò)仿真技術(shù)模擬吊裝過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的變形控制技術(shù)。劉凌杰等[2]對(duì)某大型船舶上層建筑整體吊裝擬定的3 種吊裝方案進(jìn)行有限元分析，通過(guò)對(duì)比應(yīng)力和變形情況選擇最優(yōu)方案。王銘等[3]通過(guò)對(duì)180 000 t 散貨船機(jī)艙大總段的吊裝過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，優(yōu)化加強(qiáng)方案，提高生產(chǎn)效率。韋曉強(qiáng)[4]在上層建筑整體吊裝中借助有限元技術(shù)找出上層建筑中結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，制定科學(xué)的吊裝工藝。

本文針對(duì)EZ01C 巨型總段設(shè)計(jì)2 種吊裝方案：1）底部設(shè)置鋼梁整體吊裝；2）甲板設(shè)置吊環(huán)吊裝。通過(guò)有限元分析2 種方案的結(jié)構(gòu)受力和變形情況，明確各方案的優(yōu)劣勢(shì)，選擇合適的吊裝方案。

1 吊裝方案設(shè)計(jì)

EZ01C 總段范圍為#122+300～#202+200，總段設(shè)有1 甲板、2 甲板、3 甲板和內(nèi)底，在#124、#148、#162、#183、#201等肋位設(shè)有橫艙壁。主船體采用縱骨架式，骨架系統(tǒng)由1 甲板、2 甲板、3 甲板、舷側(cè)外板、內(nèi)底和外底的縱向連續(xù)構(gòu)件組成，縱骨間距為390 mm，肋骨的理論間距為500 mm。EZ01C總段包含12 個(gè)分段，總段質(zhì)量為900 t。主船體及上層建筑的各層甲板、外板主要采用L907A高強(qiáng)度低合金鋼，球扁鋼均采用L907A 高強(qiáng)度低合金鋼。

吊裝方案設(shè)計(jì)遵循以下基本原則：1）在安全可靠的情況下要兼顧經(jīng)濟(jì)性，且易于操作；2）充分利用現(xiàn)有的吊裝設(shè)備；3）吊裝過(guò)程中避免吊繩碰到結(jié)構(gòu)；4）根據(jù)總段質(zhì)量和質(zhì)心位置合理布置吊環(huán)，減少非必要破壞，吊環(huán)應(yīng)布置在強(qiáng)結(jié)構(gòu)處。

根據(jù)總段質(zhì)量分布、質(zhì)心位置和現(xiàn)場(chǎng)吊裝設(shè)備情況，設(shè)計(jì)出2 種吊裝方案。

1）方案1。采用2 臺(tái)小車(chē)進(jìn)行聯(lián)吊，在總段底部設(shè)置12 根120t 鋼梁，12根鋼梁分別設(shè)置在#124+100、#129、#135、#142、#148、#155、#162、#169、#177、#183、#194、#200+400 處，總段底部與鋼梁之間設(shè)置鋼墩和鋼管支撐，鋼梁與鋼梁之間采用工字鋼連接。艏部6 根鋼梁為一組，由1#小車(chē)吊起；艉部6 根鋼梁為一組，由2#小車(chē)吊起，每組鋼梁由鋼索和卸扣相連。由于總段寬度超過(guò)龍門(mén)吊車(chē)寬度，為避免吊繩對(duì)船體甲板邊板造成影響，在1甲板邊緣與外板相交處設(shè)置圓鋼進(jìn)行企口保護(hù)。方案1 示意見(jiàn)圖1。

圖1 方案1 示意圖

2）方案2。在甲板上設(shè)置32 個(gè)40 t吊環(huán)，吊環(huán)分別布置在#124、#127、#151、#155、#174、#177、#194、#198 這8處強(qiáng)肋位上。艏部4 組吊環(huán)為一組，由1 號(hào)小車(chē)吊起；艉部4 組吊環(huán)為一組，由2 號(hào)小車(chē)吊起。方案2 甲板布置情況見(jiàn)圖2。

圖2 方案2 甲板布置情況

2 有限元分析

本文使用MSC PATRAN 建立整個(gè)總段的有限元模型，參考《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南》選取有限元網(wǎng)格尺寸，平面四邊形單元的尺寸以縱骨間距和肋距為準(zhǔn)?？v骨、扶強(qiáng)材、加強(qiáng)筋等構(gòu)件采用一維梁?jiǎn)卧?，保證梁?jiǎn)卧孛娴膸缀我嘏c相應(yīng)構(gòu)件一致并做適當(dāng)偏移。調(diào)整模型的質(zhì)心位置，使其與實(shí)際結(jié)構(gòu)的質(zhì)心一致。鋼梁兩側(cè)吊環(huán)采用多點(diǎn)約束（Multi-Point Constraints,MPC）點(diǎn)模擬。鋼梁?jiǎn)卧痛w結(jié)構(gòu)單元之間在布置支墩的位置處采用MPC單元相連。在計(jì)算鋼索對(duì)船體舷側(cè)作用力時(shí)，采用以下近似處理：1）每根鋼索的張力相等；2）忽略鋼索沿船長(zhǎng)方向傾角產(chǎn)生的張力分量。鋼絲繩與甲板舷側(cè)的擠壓以水平分力施加于甲板舷側(cè)，在自重的作用下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。方案1 有限元模型見(jiàn)圖3。

圖3 案1 有限元模型

為保證吊裝過(guò)程的安全性，根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》，結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力的計(jì)算公式為

式中：σs為材料的屈服極限；n為安全系數(shù)，對(duì)于合成應(yīng)力應(yīng)取1.3。

EZ01C總段的船體結(jié)構(gòu)采用L907A 高強(qiáng)度低合金鋼，材料的屈服極限為390MPa，因此許用合成應(yīng)力為300 MPa。

方案1 的有限元仿真結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，船體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為98.2 MPa，出現(xiàn)在設(shè)置鋼梁肋位處船底肋板上；最大變形為5 mm，出現(xiàn)在2甲板大開(kāi)口處。底部鋼梁結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為109MPa，出現(xiàn)在鋼墩設(shè)置處；最大變形為12 mm，出現(xiàn)在鋼梁兩端，呈上翹形狀。方案1計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖4 方案1 有限元仿真結(jié)果

方案2 在1 甲板上設(shè)置8 組32 個(gè)吊環(huán)，直接用2臺(tái)小車(chē)起吊。不考慮鋼絲繩斜向分力，將整個(gè)總段質(zhì)量均分到32 個(gè)吊環(huán)上進(jìn)行近似處理。方案2有限元仿真結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知，船體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為215MPa，設(shè)置吊環(huán)處的縱橫向強(qiáng)結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)應(yīng)力較大的現(xiàn)象。最大變形為10.5 mm，出現(xiàn)在艏艉兩端最外側(cè)一組吊環(huán)處的甲板上。若采用方案2，則需要在設(shè)置吊環(huán)的強(qiáng)結(jié)構(gòu)處，增加支撐結(jié)構(gòu)，以方便結(jié)構(gòu)力的傳遞，進(jìn)而降低吊環(huán)強(qiáng)框架的應(yīng)力以，并減少甲板變形。

圖5 方案2 有限元仿真結(jié)果

3 結(jié)果對(duì)比分析

方案1 和方案2 仿真結(jié)果的對(duì)比情況見(jiàn)表1。由表1 可知，方案1 的最大應(yīng)力和變形均遠(yuǎn)小于方案2，且方案1 的最大應(yīng)力出現(xiàn)在船底強(qiáng)肋板處，此處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，更有利于保證結(jié)構(gòu)的安全性。雖然方案2 的最大應(yīng)力未超出許用應(yīng)力，但方案2 的主要受力結(jié)構(gòu)是吊環(huán)下強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)，需要在吊環(huán)下強(qiáng)框架處設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)以保證力的傳遞。然而，相較于方案1，方案2 在操作性和經(jīng)濟(jì)性方面更有優(yōu)勢(shì)。綜上所述，從變形控制角度來(lái)說(shuō)優(yōu)先選擇方案1；從經(jīng)濟(jì)性和操作性角度來(lái)講優(yōu)先選擇方案2，但需要采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施。

表1 方案1 和方案2 仿真結(jié)果的對(duì)比情況

綜合考慮各種影響因素，本文選用方案1。在實(shí)船吊裝過(guò)程中，需要在鋼梁與船底板之間對(duì)稱(chēng)設(shè)置鋼管支撐。吊裝過(guò)程中需要做到統(tǒng)一指揮、分步實(shí)施、職責(zé)分明、責(zé)任到人。

4 結(jié)論

本文針對(duì)某巨型總段吊裝到船塢進(jìn)行總組的需求，在綜合考慮巨型總段、現(xiàn)場(chǎng)吊車(chē)和吊索具特點(diǎn)的基礎(chǔ)之上提出了底部設(shè)橫梁整體吊裝和甲板設(shè)吊環(huán)直接吊裝等2 種吊裝方案，并進(jìn)行有限元仿真。有限元仿真結(jié)果表明：底部設(shè)橫梁整體吊裝方案的安全性更有優(yōu)勢(shì)，甲板設(shè)吊環(huán)直接吊裝方案的經(jīng)濟(jì)性和操作性更有優(yōu)勢(shì)。研究成果可為巨型總段吊裝方案設(shè)計(jì)提供一定參考。