有限元法在漁船吊裝下水中強度分析

劉連偉

摘 要：船只下水通常都會采用吊裝下水的方式，船廠需要充分考量工期以及船臺安排情況。船體的吊裝由于涉及到船體的重量以及尺寸，因此吊裝設備的剛度以及強度需要有所保障。以此吊裝方案設計的合理性要求極為嚴格，需要對吊耳以及吊繩強度進行保證。文章通過有限元分析法對漁船使用吊裝下水時的強度進行分析，并闡釋了吊裝過程中漁船的具體狀況。

關鍵詞：下水；漁船吊裝；有限元分析

1 引言

船廠在船只維修管理時需要對船塢的工期以及船臺的使用進行安排，因而有些船只下水會使用吊裝的方式。但是考慮到船體的結構以及具體的重量尺寸狀況，吊裝的強度、剛度保證成為了吊裝船只的首要難題。對于吊裝方式的選擇以及對船只吊裝時吊耳以及吊繩的有限元分析，能夠充分保證船只吊裝的順利的進行。

2 有限元模型的建立

文章對船體吊裝采用了案例分析的方式進行論述，以雙層底的單殼結構漁船作為分析吊裝的對象。該船體具有雙層甲板，縱骨之間距離0.6米，肋骨之間距離0.57米。而內外底骨架則采用了混合式，舷側以及甲板的骨架則采用了橫骨架結構。

船體的有限元模型建立采用了目前船只模型建立中較為常用的Ansys軟件。而模型的建立中單元板材采用了shell63殼，而單元骨材則使用了beaml88梁，單元模擬中空心立柱管采用了pipe16管。模擬模型有176960個單元，另外具有57543個節點。而吊裝時船體會受到重力作用，因而船體的承載力也需要考慮在吊裝狀況影響因素中。因而有限元分析法對于船體、設備的重心位置是對吊裝強度計算的關鍵點。有限元模型中對于船體的重心位置調整主要是通過調整船體鋼材密度進行實現，而對于設備的調整則是改變質量單元的方式進行模擬。

3 方案選擇

全船吊裝方式在進行時會由于起吊作用使得船體發生變形，而對于船體較長的船只而言，變形量更大，因而吊裝時需要增設吊耳，并保證吊耳的分布能夠均勻，其主要原則為：吊耳分布要對稱，保證整體吊裝面的平衡，避免縱傾彎矩。另外吊耳的設置盡量在強力構件的縱向以及橫向的交界處。

4 吊點計算

這里計算的吊點為中心吊點。由于吊裝使用的是多級吊繩，因而必須將中間吊點的位置進行精準的計算，以此確定吊繩的級數選擇以及吊耳、全船數值的模擬。對于中間吊點的計算，應當保證左舷右舷的吊繩位置完全對稱，吊點的位置由于為對稱形式，因而文章僅對一側的中間吊點進行了計算。該船的吊裝方式采用了十六吊耳以及三級吊繩方案進行吊裝，因而一側有八個吊耳，考慮到船體艏部四個吊耳及其相連吊繩與艉部四個吊耳及其相連吊繩的形式一致，因而對于計算模型的設置可以再次進行簡化，僅對船尾吊繩、吊點進行計算，其他部位計算方法以此類推。

該種計算方法計算出的中間吊點是摒除了吊繩變形以及船體變形等不利因素，但是船體的吊裝變形以及吊繩的變形是切實存在不可避免的，因而中間吊點會發生相應改變，尤其當船體的變形超過了規定限度時，中間吊點發生了嚴重的位置變化。對于該類問題可以通過有限元分析同最優化方法相互結合的方式予以解決，該種迭代的計算方式的具體操作步驟如下：

（1）以吊繩中二級以及三級吊繩的繩長為基礎，結合已知吊點坐標通過最優法對中間吊點坐標進行計算；

（2）將上步中得出的坐標值輸入到Ansys軟件中，并通過該軟件分析計算全船結構；

（3）通過軟件對船體進行計算后，將吊點和中間吊點的位置位移坐標輸入最優化求解程序中；

（4）通過對吊點以及中間吊點的變形計算得出二級吊繩繩長以及三級吊繩繩長；

（5）對吊點位置進行調整，并判斷精度是否達到要求，如若精度達標則循環停止，若精度不夠則需要重復上述步驟。

當通過最優化求解方式將精度調整到一定的范圍中，使得吊裝的中間吊點位置能夠滿足吊裝需求時，則將二級吊繩以及三級吊繩穿過動滑輪，并保證兩段吊繩上的軸向力相等。而在軸向力上誤差小于千分之五可以認為吊點的位置精度滿足了吊裝的基本需求，上述循環能夠結束。而對該漁船的三級吊繩中間吊點使用該種綜合迭代的方式進行計算時，通過一個小時的最優化計算以及有限元分析，共迭代計算63次。對于該類分析一般會使用相應的專業軟件，方便對相關的參數以及模型進行修改，并對中間吊點位置進行調整。

5 吊繩和吊耳模型

對中間吊點首次采用最優化方式求解后，在有限元模型的基礎上對船體繼續擰吊繩系統以及同吊繩系統適應的吊耳的建立，并保證吊繩能夠同吊耳眼板處于一個平面，以此平衡吊裝過程中船體的平衡。在使用最優化計算方法對吊繩的變形情況和船體的變形情況進行分析時，每完成一個循環后需要對吊繩系統的模型進行更新重建，而在有限元分析法的應用中同樣需要模型的重建。當通過上述的迭代后，吊點能夠基本獲得穩定，最終通過確定吊繩系統，對吊耳的眼板進行配套的重新建立。

6 結果分析

為了更直觀地反映中間吊點位置的計算精度，本文給出上級吊繩與下級吊繩之間的夾角關系并通過判斷相連吊繩中兩段吊繩所確定的平面法線是否與第三段吊繩垂直來判斷相連吊繩是否共面。

通過上述分析中可以看出，上一級吊繩與其相連的下一級吊繩的角度基本相等，最大相對誤差為0.042%，說明上級吊繩在下級吊繩的角平分線上。通過對吊繩以及中心吊點的分析可以看出兩根吊繩所確定的平面的法線與第三根吊繩的夾角基本等于90°，最大相對誤差為0.064%，說明相連吊繩共面。通過以上分析可知，中間吊點位置的計算結果在幾何上能很好地滿足精度要求。

另外，分別將未考慮船體和吊繩變形以及考慮了船體和吊繩變形兩種情況下計算得到的中間吊點位置帶入有限元模型中計算，并分別提取這兩種分析中二、三級吊繩的軸力。在此，由于左右兩舷結構對稱，所以只列出右舷吊繩的軸力結果。

可以看出，只采用一次最優化求解得到的中間吊點用于有限元計算時，同一根吊繩中的軸力相差較大，最大相對誤差為12.613%。而采用最優化方法與有限元迭代計算以后的中間吊點用于有限元計算時，同一根吊繩中的軸力基本相等，最大相對誤差為0.190%。這說明采用最優化方法與有限元迭代優化得到的中間吊點位置具有很高的精度。

7 結束語

文章對于船體的吊裝過程設計進行了相應的討論，并著重對有限元分析法過程進行了闡述，通過對船體以及吊繩吊耳系統的計算過程的討論，著重分析了吊裝過程中怎樣對多級吊繩的中間吊點進行計算。通過分析結論如下：

（1）當船體的縱向尺寸過大，而另外兩方向的尺寸相對較小時，吊裝過程中多級吊裝的方式能夠有效的減小其結構變形狀況，從而保證吊裝時受力情況的穩定性。

（2）本文提出了一種計算多級吊繩中間吊點位置的新方法，該方法采用最優化理論求解，并考慮了船體和吊繩變形對中間吊點位置求解的影響。該方法計算得到的中間吊點位置具有很高的精度；

（3）通過對計算結果進行分析，對受力狀態以及吊點位置進行計算時，不能忽視吊繩以及船體的變形。文章通過綜合迭代方式進行求解，能夠有效保證吊繩上受力均勻，從而保證吊裝時，吊繩強度、材質選擇校核順利進行。

（4）本文編制了船體吊裝中間吊點位置計算軟件，使得計算中間吊點位置的方法能夠方便地應用于實際工程結構；

參考文獻

[1]劉周益，溫華兵.50500噸油船上層建筑整體吊裝強度分析[J].中外船舶科技，2008，（1）：19-22.

[2]于萬明，王喜聞，張曉音，白春河.船舶吊裝眼板安全可靠性分析[J].第十一屆全國實驗力學學術會議，2005，1081-1084.

[3]張延昌，王自力，羅廣恩.船舶上層建筑整體吊裝強度有限元分析[J].船舶工程，2006，28（3）：62-65.