64 000載重噸散貨船上層建筑總段吊裝強度分析

嚴 勇，周 紅

(1.南通象嶼海洋裝備有限責任公司，江蘇 南通 226368；2.江蘇現代造船技術有限公司，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

上層建筑作為船舶甲板上方體積最大的結構，在設計建造過程中會涉及到結構、管系、電氣、鐵舾、涂裝等多個工種，是重要的船舶結構模塊。隨著船舶建造技術的不斷進步，為了縮短船舶建造周期及建造成本，上層建筑作為一個完整的模塊建造完畢后，需要整體吊裝至船上進行安裝。上層建筑作為整體結構進行吊裝明顯能夠提高預舾裝率，并且能夠縮短船舶建造周期，提高船舶生產效率。但是，舾裝完整度的增加勢必會增加上層建筑的重量，同時對上層建筑結構的強度要求也會提高，因此在提高舾裝完整度的同時對上層建筑整體吊裝的強度進行分析是至關重要的。

很多國內學者借助有限元軟件研究了上層建筑整體吊裝存在的強度問題。張延昌等[1]利用MSC.Nastran軟件分析了105 000載重噸油船上層建筑的整體吊裝強度，并根據有限元分析結果給出了結構加強措施，從而有效地指導上層建筑實際結構的整體吊裝。李永正等[2]利用MSC.Nastran軟件分析了某超大型油船VLCC、大型油船上層建筑的整體吊裝強度，并根據有限元分析結果給出了結構加強措施，為上層建筑吊裝提出指導性建議。徐柏鑫等[3]利用有限元計算分析了9 400標準箱集裝箱船上層建筑整體吊裝結構強度，并且通過一定的結構加強方式及對舾裝件安裝進行合理控制，最終形成了上層建筑吊裝的技術方案。羅勇等[4]利用MSC.Nastran對某型VLCC上層建筑吊裝引起的應力和變形進行校核，為上層建筑在完成內舾裝后進行整體吊裝的可行性提供依據。芮曉松等[5]采用有限元分析方法分析了15 000載重噸化學品船機艙分段的吊裝強度，并提出分段改進措施及驗證其合理性。這些文獻對油船、化學品船、集裝箱船的上層建筑吊裝強度研究較多，而對國內三大船型之一的散貨船的上層建筑吊裝強度研究較少。

本文以64 000載重噸散貨船上層建筑總段為研究對象，為了解決其實際吊裝問題，利用MSC.Patran軟件建立上層建筑總段有限元模型，通過MSC.Nastran軟件對上層建筑總段進行整體吊裝強度有限元分析，評估其吊裝方案，并給出實際吊裝加強建議，從而保證上層建筑總段吊裝方案的安全性和可靠性。

1 上層建筑整體情況及有限元模型

1.1 上層建筑基本情況

64 000載重噸散貨船上層建筑總段從上至下共有五層結構，包括羅經甲板及圍壁結構、橋樓甲板及圍壁結構、C層甲板及圍壁結構、B層甲板及圍壁結構、A層甲板及圍壁結構。整個上層建筑總段長13.94 m、寬32.16 m、高16.2 m。上層建筑各層甲板結構均采用縱骨架式。上層建筑總段結構材料采用普通碳素鋼，材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，材料許用應力為235 MPa。

上層建筑總段的實際結構重量重心以及舾裝等重量、有限元模型結構重量重心數據見表1，修正后的有限元模型結構重量重心應盡量接近于實際結構的重量重心。

1.2 吊裝方案

上層建筑總段整體吊裝時，采用的吊裝方案為：分別在橋樓甲板左舷y=12 330 mm位置布置2組吊耳，連接下小車。另外，在橋樓甲板右舷Fr 21、y=9 286 mm位置布置1組吊耳，連接1#上小車；右舷Fr 35、y=9 286 mm位置布置1組吊耳，連接2#上小車。

表1 上層建筑總段結構重量及重心位置

1.3 上層建筑有限元模型

1.3.1總段有限元模型

利用MSC.Patran軟件建立64 000載重噸散貨船上層建筑總段有限元模型，如圖1所示。吊耳結構如圖2所示。吊耳細化模型如圖3所示。有限元模型網格尺寸參考中國船級社《雙舷側散貨船結構強度直接計算指南》[6]選取，即沿船長方向每肋位取2個網格，沿船寬方向每縱骨間距取2個網格；上層建筑有限元模型中的板材均采用四節點殼單元；縱骨、橫梁均采用梁單元模擬。上層建筑總段有限元模型共包括33 226個節點，46 300個單元。

圖1 上層建筑總段有限元模型

1.3.2邊界條件

上層建筑總段整體吊裝分析包括吊裝前和吊裝時的結構響應分析，上層建筑總段由吊裝引起的結構響應則是吊裝前和吊裝時結構響應的合成。

上層建筑總段在吊裝前，結構置于胎架上，總段重量通過胎架傳至地面。分析總段結構在吊裝前的結構響應時，約束處理采用A層甲板圍壁下端約束x、y、z方向的線位移和角位移，即完全剛性固定。上層建筑總段在吊裝時，總段重量通過吊耳傳至纜繩。分析總段結構在吊裝時的結構響應時，約束處理采用駕駛甲板右舷Fr 21處吊耳約束x、y、z方向的線位移，Fr 35處吊耳約束y、z方向的線位移，左舷y=12 330 mm處吊耳約束x、z方向的線位移。

圖2 吊耳結構形式

圖3 吊耳有限元模型圖

1.3.3施加載荷

上層建筑總段主要承受自重，計算總段在吊裝前的慣性載荷取z方向az=g=9.81 kg·m/s2，其余方向為0,g為重力加速度。在船舶上層建筑總段吊裝過程中考慮到沖擊載荷的影響，采用載荷系數1.1，計算總段吊裝時的慣性載荷取az=1.1g=10.791 kg·m/s2，其余方向為0。

1.3.4判定準則

應力標準：上層建筑總段材料為Q235，根據相關規范，以結構應力小于屈服應力235 MPa為依據。

變形標準：對于吊裝過程中結構的變形情況，以不使得結構發生塑性變形同時相鄰結構不發生變形接觸為依據。

2 上層建筑吊裝強度有限元分析

利用MSC.Nastran軟件分析上層建筑總段的吊裝結構響應，結構應力及變形云圖分別如圖4和圖5所示，總段吊裝引起的最大應力及變形分別見表2和表3。通過計算表明：上層建筑總段在吊裝過程中的最大應力為79.2 MPa，出現在橋樓甲板y=12 330 mm縱艙壁上，在Fr 23與甲板面相交位置，遠小于材料屈服應力235 MPa，安全系數為2.97，結構強度滿足吊裝要求。另外，上層建筑總段在吊裝過程中的最大變形為32.1 mm，出現在A甲板y=-6 497 mm縱艙壁上，位于Fr 18底端位置，其余結構變形在5.0 mm以內。

圖4 上層建筑總段吊裝前結構應力及變形云圖

圖5 上層建筑總段吊裝時結構應力及變形云圖

表2上層建筑總段整體吊裝應力結果匯總MPa

結構應力吊裝前結構應力/MPa應力最大值位置吊裝時結構應力/MPa應力最大值位置羅經甲板結構22.5Fr30、y=-2032mm處縱桁底端位置36.5y=-6752mm縱艙壁上,在Fr35開孔角隅位置橋樓甲板結構22.5Fr30、y=2300mm處縱桁底端位置79.2y=12330mm縱艙壁上,與Fr23、甲板面相交位置C層甲板結構24.0y=-6172mm縱艙壁上,在Fr27+240mm處底端位置45.7Fr21橫艙壁上,在y=-7552mm開孔角隅位置B層甲板結構15.9y=-6172mm縱艙壁上,在Fr23處底端位置31.9Fr21橫艙壁與y=-12330mm縱艙壁相交處底端位置A層甲板結構20.5y=-4352mm縱艙壁與Fr21桁材相交位置62.5Fr21、y=-12330mm處桁材底端位置

3 結語

本文利用MSC.Patran軟件建立了64 000載重噸散貨船上層建筑總段有限元模型，并通過MSC.Nastran軟件進行吊裝結構響應分析，主要得出以下結論：

(1)吊裝前，64 000載重噸散貨船上層建筑總段在重力作用下，整體應力水平較低，能夠滿足強度要求。

(2)上層建筑總段吊裝時，總段最大應力為79.2 MPa，結構應力小于材料屈服應力235 MPa，結構強度均能滿足要求。

(3)上層建筑總段由吊裝引起的變形為32.10 mm，出現在A甲板y=-6 497 mm縱艙壁上，位于Fr18底端位置。吊裝時可使用工字鋼連接A甲板y=-6 497 mm縱艙壁底端與y=-4 352 mm縱艙壁底端，進行臨時加強，從而控制吊裝引起的變形。上層建筑總段由吊裝引起的變形均為彈性變形，且相鄰結構間無接觸，滿足吊裝要求。

表3 上層建筑總段整體吊裝變形結果匯總

(4)船廠在64 000載重噸散貨船上層建筑總段實際吊裝過程中，采取本文建議的臨時加強措施，使得上建總段吊裝過程順利進行，證明本文吊裝方案安全可行。