借助船舶設計軟件破解尾軸吊裝難題

中國船級社 上海外高橋造船海洋工程設計有限公司

隨著船舶大型化，尾軸的尺寸和重量也在不斷增加，目前我國自制的18000TEU集裝箱船尾軸重達90余噸。如何將如此大的尾軸安全吊裝到船上，是船舶建造遇到的一個新難題。

常規的解決思路是提高吊裝能力，但尾軸吊裝有其特殊性，吊裝時要借助船上的軸系行車，而配套的軸系行車的起吊能力是有限的，增大其起吊能力勢必會增加船舶建造成本。同時，隨著尾軸的增大，在龍門吊與軸系行車接替的關鍵節點，操作危險性顯著增加。如何才能預判風險，科學選型，找到安全有效的吊裝方案？能否從設計入手，借助船舶設計軟件的功能尋找突破口呢？

船舶設計軟件

目前國內各大船廠普遍使用的船舶設計軟件有瑞典KCS公司的TRIBON、美國PTC公司的CADDS、芬蘭Napa Oy公司的NAPA和西班牙Sener公司的FORAND等。TRIBON以其卓越的性能成為眾多設計軟件中的經典，被廣泛使用。該軟件使用計算機建立船舶的生產信息數據，通過計算機建立一個實船模型，不僅完成繪制生產用圖紙，還能進行各種數據的計算、管理和統計。這些生產信息用于指導生產，從而實現設計和生產的統一。我們通過TRIBON軟件的Structure模塊來模擬尾軸吊裝過程，探尋超大尾軸吊裝的解決方案。

TRIBON的形狀模塊（Drafting）和鐵舾裝件模塊（Structure）都可以較為逼真地模擬出船上設備或一般舾裝件的外形，滿足從形狀演示到過程模擬的需求。利用Structure模塊建立的實體模型除了體現外形，還能包含模擬對象的物質材料所對應的密度信息。外形和密度結合起來，就可以得出實體的重量和重心分布。這是Structure模塊特有的功能，而這正是模擬尾軸吊裝過程所需要的。

尾軸吊裝過程

大型船舶的尾軸一般重達數十噸，通常通過龍門吊將其從船塢旁場地升起并吊運至塢內機艙。為了保持吊運過程中尾軸的平衡，一般使用兩條吊繩，其固定部位分別靠近尾軸的錐端和法蘭端。吊繩與軸的接觸位置不宜位于錐端或前后軸承接觸面，以防吊繩松脫，或刮傷滑動摩擦表面。因此，靠近錐端的吊繩位于中間段接近后軸承段的部位，而靠近法蘭端的吊繩位于前軸承段與法蘭之間。

當龍門吊吊起尾軸下降至機艙內，持續向機艙尾部平移時，龍門吊的吊繩會碰到機艙尾部甲板邊緣。在此之前龍門吊與機艙內的軸系行車必須做好交接，將兩條吊繩逐步從龍門吊轉移到軸系行車上去。

圖1

圖2

首先，較靠船尾的軸系行車會連接到近錐端的吊繩，并承擔重量。當龍門吊的吊鉤從該處吊繩脫開后，尾軸開始向后移動（見圖1）。

當尾軸向船尾行進至近法蘭端的吊繩靠近上方甲板邊緣時，較靠船首的軸系行車連接到吊繩并承擔重量。隨后龍門吊脫鉤，至此龍門吊與尾軸完全脫離，尾軸的吊運由船上的軸系行車完全接替，起吊設備接替作業結束（見圖2）。

三維建模和計算

三維建模主要包含建立尾軸模型和關鍵過程節點演示兩方面內容。前者是基礎，后者是目的。進而針對具體的演示情景，做出基本的受力計算，為吊裝方案的安全性和可行性論證提供較為可靠的定量分析手段。以某型18000TEU集裝箱船尾軸為例，對上述步驟做詳細說明。

1、建立尾軸模型

由圖1～2可見，尾軸不是均勻的圓柱體。其與前、后軸承接觸的滑動摩擦部位較粗，其余部位較細，此外還有端部、錐端、過渡段、法蘭等，總體形狀較復雜。而Structure模塊不能建立包括錐端、過渡段等變直徑的形狀要素，因此可以將變直徑體用以其平均直徑為直徑的圓柱體代替，從而實現采用若干個不同直徑的圓柱體的組合來模擬尾軸。尾軸法蘭上還有若干個螺栓孔，我們在模型實體中作挖空處理。當模型建立完畢，Structure可以自動計算出重量并給出重心坐標（見圖3）。

軟件給出的重量是91.985t，設備圖紙給出的理論重量是91.644t，兩者相差不到0.4%，相符度是令人滿意的。據此得出的重心G位置也應是可信的?？紤]到實際吊裝時尾軸端部要安裝一段假軸，法蘭端附近要套上前密封裝置，因此總重量可按97t計。

2、演示和計算

當重量和重心以及吊繩在尾軸上的作用位置確定了，吊繩和起吊設備的受力狀況就能夠確定。對照起吊設備的額定載荷，就可以分析出當前起吊方案的安全性。

首先按慣例位置布置近錐端和近法蘭端兩根吊繩（見圖4）。并假定龍門吊和軸系單軌吊的吊鉤位置不變。

從另一方面來看，公司的治理結構對我國社會經濟的整體發展有著非常直接的影響。同時，社會經濟的發展對現代化企業的建設也具有很大的影響，二者之間是相輔相成的?，F代化的企業組織管理可分為內部治理機構和外部治理機構。據多項實際研究表明，無論是針對內部治理結構，還是外部治理結構，穩定且健全的會計監督體系都有其存在的必要性，會計監督體系的確立也是確?，F代化企業能夠持續穩步向前的重要因素。

圖3

圖4

兩根吊繩的拉力分別為F1和F2，到重心G的距離分別為L1和L2。

因此有：（1）L1=1772；L2=7026；根據受力平衡合力矩平衡，又有：(2)F1+F2=97；（3）F1×L1=F2×L2；

通過計算可以得出F1=77.5t；F2=19.5t。

從上可看出，兩根吊繩上的負荷是很不均衡的。F1遠大于F2，原因在于L1遠小于L2。離重心越近，負荷越大。因此我們主要校核F1的安全性。

而配套的軸系行車額定載荷SWL=60t＜77.5t。由此推斷，不能用一臺軸系行車在F1吊繩處接替龍門吊。

3、可能的解決方案

a）將軸系行車的額定載荷大幅提高，并考慮到充分的安全裕度，比如提高至90t；b）用2臺軸系行車共同承擔F1處吊繩的負荷（行車總數增至3臺）；c）沿軸向移動吊繩位置，重新調整吊繩的負荷分配。

對于a方案，從了解到的國內船舶配套業內情況看，單軌行車的規格一般在50t以內。本船定購的60t已屬超大，規格再提高不僅要考慮配套廠的技術能力因素，更要考慮成本上的影響。因此，該方案暫不考慮。

因此有：2F1a×Cos48°=77.5t，計算可得F1a=57.8t小于60t，安全。因為這是基于偏于苛刻的簡化，所以實際受力還會更小一點。因此實際上是可行的。

對于c方案，又有如下幾種操作：

①近法蘭端的吊繩位置不變，近錐端的吊繩位于后軸承接觸面上某點（也有可能該點不存在）；②近錐端的吊繩位置不變，近法蘭端的吊繩移到前軸承接觸面上或更靠近重心的位置；③近錐端的吊繩移動到后軸承接觸面上某合適點，近法蘭端的吊繩移到前軸承接觸面上或更靠近重心的位置。

上述①～③涉及的定位問題都可通過與前述（1）～（3）相似的計算解決。

通過挖掘TRIBON軟件Struc-ture模塊的功能，在計算機中建立尾軸的三維實體模型，模擬尾軸吊裝過程并進行受力分析和計算，不僅可以校核按慣例布置的吊點方案的安全性，而且可以提出新的安全的吊裝方案。具體采用哪一種，可由設計人員和安裝人員進行溝通交流，通過綜合考慮技術能力、工藝慣例和實際的環境條件等因素來決定。

基于TRIBON軟件的Structure模塊而建立的模型能夠比較精確地確定尾軸的重心，為后續一系列的計算、校核和方案論證提供基礎，吊裝方案的選擇從傳統的基于經驗轉變為基于數據，從定性分析提升為定量分析，有助于把生產安全做扎實。尤其在當前重視、普及JSA（Job Safety Analysis）的形勢下，提前發現安全隱患并準備好預案、提供決策支持，顯得尤為重要。

自上世紀九十年代，信息技術和船舶軟件的大量應用，使我國船舶設計和生產水平有了大幅度提高，我國船舶工業能夠快速與國際接軌，參與到國際競爭中。但我們應清醒地看到當前設計還沒有很好地與生產工藝和生產管理有機結合起來，船舶設計自頂向下的全過程集成尚未實現，這或許是今后船舶信息化進程中需要重點關注的地方。