基于有限元分析的船舶分段吊裝定位焊布置設計

2016-03-18 10:17:29王先德鐘志平

造船技術 2016年1期

關鍵詞：有限元變形

王先德，羅　宇，鐘志平

(1.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200030； 2.中海工業(江蘇)有限公司，江蘇揚州 225200)

基于有限元分析的船舶分段吊裝定位焊布置設計

王先德1，羅宇1，鐘志平2

(1.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200030； 2.中海工業(江蘇)有限公司，江蘇揚州 225200)

摘要根據船體Tribon模型，運用MSC Patran建立舷側總段的有限元分析模型，分析總段在吊裝定位時定位焊布置的結構強度。通過計算機模擬，可以確定應力分布和結構變形。根據其特點，提出了合理有效的改進措施，為分段吊裝定位焊布置提供了依據。有限元分析計算的結果，可用于指導船舶分段吊裝定位焊布置的設計和優化，提高船舶建造的效率。

關鍵詞分段吊裝定位焊布置有限元強度分析

Tacking Welding Arrangement Design of Assemble Block Based on Finite Element Analysis During Erection

WANG Xian-de1, LUO Yu1, ZHONG Zhi-ping2

(1.Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China;2.China Shipping Industry (Jiang Su) Co., Ltd., Yangzhou Jiangsu 225200, China)

AbstractAccording to the Tribon model,analysing the tacking welding strength during erection of assemble block using the finite element analysis model of side shell assemble block which established by MSC patran.Confirm the stress distribution and structural deformation through computer simulation.According to its characteristics,come up with the effective and improvement measures which could be the basis and theory of tacking welding arrangement when do erection work.The result of FEM analysis can be used to guide the design and improvement work of tacking welding arrangement during erection. Also it can improve the efficiency of shipbuilding.

Keywords Block erectionTacking welding arrangementFEMStrength analysis

0引言

船體分段的吊裝速度會直接影響船體建造塢期，對加快分段吊裝速度，縮短船舶建造塢期，提高大型吊車使用效率具有重要意義。船體分段吊裝定位焊是船舶分段吊裝的一個重要環節，其主要作用是保證分段吊裝松鉤到裝配結束這一階段，安全、穩定的固定在吊裝位置上，確保分段不發生傾倒、沉降甚至掉落等安全和質量事故。合理的定位焊布置不僅能快速地固定分段，還能減小分段變形，使分段定位數據控制在規范范圍內。

近年來，相繼出現有介紹船體艏總段、上層建筑整體吊裝等主要針對吊裝過程中分段變形和吊耳強度分析的文章，但對于分段吊裝定位焊布置的關注仍比較少。本文利用MSC Patran & MSC Nastran軟件，以某散貨船舷側總段為例，對該總段吊裝定位焊布置的結構強度進行了有限元分析計算，驗證了基于有限元分析的船舶分段吊裝定位焊布置設計的可行性。

1分段定位焊布置及有限元模型

1.1分段定位焊布置

(605+606)S總段縱向從FR79-620至FR90-200，質量為105 t,外形尺寸為17 640 mm×6 380 mm×8 920 mm。定位焊布置位置如圖1、表1所示。該總段吊裝到位后，向艉與604S分段連接，向下與305S、306S分段相接，與相鄰分段合攏口存在5～8 mm間隙。(605+606)S總段利用與604S、305S、306S之間的定位焊固定在理論位置上。分段定位焊布置要考慮分段質量及重心，同時兼顧分段結構來布置。分段定位焊布置原則與吊耳布置相似，要盡量對稱，布置在縱向強結構與橫向強結構交匯處，同時要充分考慮施工可行性。

圖1　定位焊布置示意圖

表1　定位焊布置方案　　　　　　　　　　　　　　　　　單位：mm

1.2有限元模型的建立

本文采用MSC Patran建立(605+606)S總段的三維有限元模型，采用右手坐標系，原點位于FR79船中位置，X軸以船艏方向為正，Y軸以左舷為正，Z軸以船高方向為正。建模原則參照中國船級社《船體結構強度直接計算指南》[1]，并查找相關文獻[2～5]，模型有限元網格單元采用3節點與4節點板單元和偏心梁單元，網格縱向長度為肋距，橫向以及垂向長度為縱骨間距，模型板厚為建造厚度。船舶結構材料為普通鋼及高強鋼，模型中涉及的材料參數：彈性模量E=2.10×105；密度ρ=7.85×10-9T/mm3；泊松比ν=0.3。圖2為總段有限元模型。

圖2　總段有限元模型

1.3質量模型

本文主要研究定位焊構件及船體結構在重力作用下的應力與變形。模型質量通過給有限元單元賦屬性實現。模型質量105 t，模型重心縱向位置為7 860 mm，橫向位置為-13 760 mm，垂向位置為13 750 mm，與Tribon統計的質量及重心位置基本一致。

1.4邊界條件

分析計算時，僅考慮重力的影響，慣性載荷取g=-9 800 mm/s2，其余方向為0。A、B、C、D處T型材腹板與下方分段T型材腹板相接的節點約束x、y、z三個方向的線位移和角位移，甲板合攏口E、F處與604分段相接節點約束x、y、z三個方向的線位移和角位移，G處支柱下端節點約束x、y、z三個方向的線位移和角位移。

2結果

2.1初步定位焊方案的結構相應分析

考慮到安全因素，安全系數取n=1.5，因此，普通鋼和高強鋼的許用應力如表2所示。

經過有限元計算，總段在定位焊固定下，A-G處定位焊構件及附近船體結構應力較大，分段其余位置應力較小。變形最大處位于支柱，最大位移3.22 mm，分段整體變形不大。分析計算結果，發現F處相當應力達到277 MPa，超過許用應力，A、B、C 處T型材相當應力最大達到186 MPa，超出許用范圍。計算結果見表3及圖3～圖8。

表2　分段主要結構材質及許用應力表　單位：MPa

表3　定位焊構件有限元計算結果　　單位：MPa

圖3　總段應力云圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4　A、B、C、D處應力云圖

圖5　E處應力云圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6　F處應力云圖

圖7　G處應力云圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖8　總段變形云圖

2.2新方案的結構相應分析

新方案中考慮船體結構的材質已定，采取增加定位焊布置點的方法改進原方案。如圖9所示，在外板T型材定位焊布置點A、B之間FR82處增加同類型定位焊H，在C、D之間FR94處增加同類型定位焊I，以達到減小A、B、C三處應力的目的。在甲板合攏口E、F之間DL3處增加同類型定位焊構件J。新定位焊布置方案重新進行分析計算后，A、B及H、I處最大相當應力降低到149 MPa，E、F、G、J處最大相當應力降低到198 MPa,各區域最大相當應力及變形都在安全范圍內。新方案計算結果見表4及圖10～圖16。