汽車運輸船大型車庫立體總段吊裝可行性研究

柳向陽+黃偉江

摘 要：汽車運輸船的車庫結構特點為甲板層數多，結構薄弱，支撐少。建造不利于擴大總段，因此一般采取了片體總段的做法。本文通過有限元手段對起重狀態下的大型立體車庫總段進行應力和變形量分析，優化吊點和支撐位置，使大型車庫立體總段得到實際應用?？s短了汽車運輸船建造的船塢周期，為順利交船創造了條件。

關鍵詞：大型汽車運輸船，大型立體總段，有限元，應力，柔性結構，變形量，吊碼

中圖分類號：U674.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）06-0042-02

近年，汽車運輸船的訂單時有生效，但造價今非昔比，針對結構復雜，建造工作量巨大的汽車運輸船，縮建周期，降低建造成本成為船廠必須解決的問題。

大型汽車運輸船車庫區片體分段數量多達300多片，傳統建造采用塢內井式建造法，即將車庫外板片體總段吊裝后，逐層吊裝甲板片體總段，這種建造方法塢內焊接工作量巨大，船塢周期長。且由于在封閉甲板空間進行大量的焊接，導致施工環境極差，對產品質量和工人健康產生很大影響。若將車庫區總組為立體環形總段，能夠避免在船塢內焊接各層甲板與舷側外板，且總段兩端是開敞的，能夠改善施工環境，提高施工效率和焊接質量。但由于大型汽車運輸船車輛甲板板厚只有6-7mm，并且只有1-2排支柱支撐，總段起吊時，結構應力和變形很容易超標，產生車庫層高不足，支柱對接精度不良及合攏口線型不光順等問題。這是本文主要論述和要解決的問題。

1 總體分析

1.1 結構特點分析

本文研究的某大型汽車運輸船的車庫區結構為柔性結構設計（甲板強橫梁和舷側強肋骨錯位安裝），雙縱桁，雙支柱，車輛甲板的厚度為7mm。研究總段（下稱總段）有四層甲板，長寬高尺寸為：45.25×36.45×9.9米，柔性結構設計和較大的跨距是產生變形的主要因素。

1.2 總段重量

該典型立體車庫總段由6個車庫舷側分段，24個甲板片體分段合攏而成，經生產設計后提取的典型立體車庫結構重量771噸，舾裝件重量87噸，吊排及索具160噸，合計1018噸。本船建造船塢和總組場地配有兩臺600噸龍門吊車，兩車聯吊最大起重1020噸。起重重量沒有超出吊車最大起重能力。

1.3 吊車布置參數要求

根據吊車技術規格書要求，上小車間距為15.14米，兩臺吊車聯合起重的最小間距為23米。起重總段長度不小于38.13米，本總段長度45.25米，長度滿足兩車聯吊要求。

2 吊裝方案

2.1 吊裝方案一

該型汽車運輸船左右舷各設置了一道縱桁，間距支柱設置在該縱桁上，主結構連續性好，臨時支撐少。因此優先選擇將吊點布置在這兩道縱桁上。上小車每個吊排下布置4只吊碼，下小車布置8只吊碼，左右舷6750縱桁各16只吊，共32只吊馬，每只吊碼受力約26.8噸，吊碼選擇40噸級A型吊碼。

總段吊裝時的結構響應主要由它本身的重量引起，因此完整的分析應包含吊裝前、后結構響應和吊裝中結構響應，但吊裝中的結構應力破壞力最強，因此本文選擇吊裝作過程中來研究總段吊裝狀態的結構響應。

考慮吊裝時沖擊載荷及橫風和不平衡吊裝影響，在計算吊裝時的慣性載荷，在型深方向取aZ=1.1g=10.78kgm/s2，其余方向為0。相應的垂向載荷為9438kN，其余方向載荷為0；

有限元模型吊點設置與實際吊裝中吊點布置相符合，邊界條件設定在吊點處，約束每個吊點的X，Y平動和所有轉動5等個自由度，吊點處允許垂向位移。

方案一計算后的應力如圖1所示，由于所有吊點都布置在6750縱桁處，且上下連接只有少量幾根支柱，最大應力發生支柱與縱桁相連處，其應最高為249MPa。接近AH36材質的規范許用值，容易損壞結構。

總段變形云圖如圖2所示，根據變形云圖可知，總段最大變形量達153mm，各層甲板的形變量由頂層向底層逐層遞減，頂層甲板的變形最大。甲板面設置吊耳處的形變率較大均超過3/1000。在吊裝過程中會破壞內部結構和預裝管子，且吊裝后結構容易發生不可回彈的變形。

因此，方案一由于應力、變形量過大，無法滿足建造要求。

經分析，方案一產生較大應力和變形的原因和解決方案如下：

（1）吊點將總段橫向切分為三段，間距分別為11.48米，13.49米和11.48米，吊點跨距大。且吊點布置在一條線上，過于集中。

（2）由于舷側外板與各層甲板為柔性連接結構，沒有形成抗撓強結構框架，且舷側重心距吊點離有11.48米，致使舷側下垂變形量過大。

（3）若要減小方案一變形量，需要在車輛甲板和舷側外板之間做大量的斜支撐，每層甲板間增加垂直支撐，工作量大且施工難度大。

2.2 吊裝方案二

針對方案一存在的問題，設計出第二套吊點布置方案。方案二將吊點分散開布置。部分吊點盡量接近外板，盡量減小因柔性連接點產生的變形量。方案由于外側一列吊點下方無支撐且吊點與舷側無剛性連接，因此需要在吊點位置處增加垂直臨時支撐。方案二吊成布置見圖3。

修改有限元模型中的吊點，將臨時支撐在有限元模型中建好模型。其它計算條件與方案一相同。計算結果的最大應力仍然在縱桁與支柱交點處，但由于吊點分散布置后，應力大幅下降至171Mpa，應力值已處于安全范圍內。

從方案二的變形云圖來看（見圖4），最大變形量仍處于舷側外板處，但最大變形值已下降至24.9mm，不會發生永久性變形，完全滿足總段合攏的精度要求。

對比兩套吊點布置方案，方案二具有應力小，變形量小的優點，符合施工要求，因此確定選擇方案二為最終起重方案。

3 結論

通過有限元直接計算方法，能直觀得到總段結構應力和變形量，將未知風險降至最低，并通過分析結果優化總段吊點布置，將結構應力和變形控制在規范和施工基準允許范圍內，實現了柔性結構汽車運輸船大型車庫立體總段吊裝。每個總段能減少塢內合攏縫長度約450米，全船共有四個立體車庫總段，每船能減少塢內合攏縫長度約1800米。為縮短船塢周期創造了重要條件。

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