基于TSV-BLS軟件客滾船機艙總段整體吊裝方案分析

翟高進 盧蓉芝 張 開

（1.無錫市地方海事局 無錫214043； 2.江蘇省泰興中等專業學校 泰興225400；3.泰州口岸船舶有限公司 泰州225321）

引 言

46車/999客客滾船是泰州口岸船舶有限公司為海南海峽航運股份有限公司建造的客滾船，該型客滾船總長127.5 m、兩柱間長122 m、型寬20.6 m、型深6.35 m、設計吃水4.35 m、載車量46輛，載客量999人，入級CCS船級社，航線為?？?海安。為提高造船效率、縮短造船周期，在建造過程中將機艙區域6個分段合并成1個總段后進行吊裝，以達到縮短塢期的目的。

船體吊裝涉及到結構的質量與重心計算、吊點的位置選取、吊碼的型號選擇以及船臺的起重能力等多方面，是一項非常復雜的造船工藝。因此在機艙總段吊裝前，需要對整體吊裝方案進行驗證，并根據驗證結果進行必要的調整和優化，確保吊裝工程安全［1］。

目前，船體結構吊裝分析的主要方法有經驗法、總體分析法及有限元分析法［2-4］。46車/999客客滾船機艙總段的吊裝計算采用的是TSV-BLS船舶吊裝仿真軟件，應用該軟件的TRIBON接口及網格劃分工具，可快速從TRIBON生產設計軟件生成的文件中導入船體結構模型，并實現網格的自動劃分。軟件可按照預定的吊裝方案進行吊點、吊碼及吊排等起吊設置，通過軟件的三維仿真模塊模擬船體結構的實際吊裝過程的翻身和平吊動作，自動計算和施加有限元模型的位移和力，從而獲得結構的應力和變形值?？梢酝ㄟ^TSV-BLS三維影像了解吊裝操作過程中分段的位置和姿態，方便檢測起吊作業中出現的不良現象，如鋼絲繩與結構的干涉、鋼絲繩受力過大、吊碼受力過大、結構應力過大、結構變形過大等。

1 機艙總段與吊碼布置

46車/999客客滾船的機艙總段EB1是由EB01P/S機艙雙層底分段、EG11P/S機艙甲板分段，以及AG02P/S尾部分段總組而成。EB1總段長15 900 mm、寬20 600 mm、高6 350 mm，EB1總段的質量和重心數據如表1所示。

表1 機艙總段吊裝基本信息表

由于在車輛甲板上Fr32-Fr34左舷附近有甲板大開孔，在設置吊碼時就應避開開孔的位置，因此所布置的吊機主吊鉤中心與分段的重心不在同一肋位，其偏差值為1.25 m，而副鉤的中心關于模型的重心對稱。起重機的主吊鉤在甲板的左舷Fr27+412 mm處，主鉤與8個D40吊碼相連接，2個副吊鉤分別在右舷Fr23-40 mm和Fr35+160 mm兩處?？偠挝哺便^與4個D40吊碼相連接，總段首副鉤與4個D40吊碼相連接，初步吊碼設置方案如圖1-圖3所示，最終吊碼的規格和位置需根據計算結果來定。吊碼下方采用高200 mm、厚14 mm的扁鐵加強，扁鐵與吊碼兩側側板對齊。

圖1 EB1總段吊裝總布置圖

圖2 左舷吊碼

圖3 右舷吊碼

2 機艙總段有限元計算模型

2.1 TRIBON模型的導入

首先從TRIBON中導出包含船體結構信息的XML文件，XML文件包含模型幾何信息、材料信息等；然后使用TSV-BLS導入TRIBON生成的XML文件，導入時進行相應的策略優化，如：

（1）對有限元計算無需考慮的原生產設計模型中構件的流水孔、透氣孔以及型材貫穿孔的去除，如圖4所示。

圖4 貫穿孔去除前后對比

（2）去除原模型中生產設計的板縫（原理為當A板與B板相交，在A板上有一個板縫接近交線，如果兩線距離小于調整值，將板縫線移動到交線的位置），如圖5所示。

（3）刪除原生產設計模型中重復的構件以及離散的結構。

圖5 板縫調整前后對比

2.2 網格劃分

根據中國船級社《國內航行海船建造規范》［5］中有限元的規定，本文中有限元模型主要考慮承載結構件，如甲板板、圍壁板、橫梁、縱骨、縱桁、關鍵部位的肘板等，對于非關鍵區域的肘板等小構件未考慮。根據規定，本文中選用網格大小為200 mm×200 mm。

TSV-BLS軟件自帶網格劃分模塊（Mesher），可實現三角形網格（Tri 3）以及四邊形網格（Quad 4）的劃分，借助網格修改模塊（Mesh manual）可對網格質量進行優化；

（1）首先TSV-BLS軟件進行三角形網格的自動劃分，根據輸入的網格大小，完成節點的建立、網格的劃分、劃分完成后軟件檢測網格的質量，顯示出網格不重合的部分，對于不重合的節點網格通過修改模塊（Mesh manual）可對網格質量進行優化，網格節點不重合的地方顯示紫色，重合的節點顯示綠色，如圖6-圖7所示。

圖6 不重合的單元

圖7 節點修改前后對比

（2）TSV-BLS軟件進行四邊形網格的自動劃分；軟件根據已經劃分的三角形網格進行四邊形網格的劃分，進一步提高網格質量。

（3）TSV-BLS軟件將原構件的材料屬性、板厚屬性復制到有限元模型的單元上完成有限元模型的建立，最終有限元模型如圖8所示。

圖8 機艙總段有限元模型

3 吊裝過程分析

3.1 起吊階段分析

本項目主要研究機艙總段在吊裝過程中，結構受到自重的作用，通過計算結構應力和變形，以及鋼絲繩拉力大小，驗證其是否滿足要求，根據起吊階段不同，可將整個起吊過程分為兩部分：

（1）上升階段

模型從離開地面開始，上升到指定高度這一過程，軟件在模擬總段運動時，對其施加了一個加速度，因此其結構力和變形比重力單獨產生的結果較大；

（2）平穩階段

模型到達一定高度后，固定不動的階段，這個階段中模型只受到重力作用。

3.2 鋼絲繩和吊碼受力分析

在模擬總段運動的過程中，鋼絲繩和吊碼的拉力隨時間變化，其值均可通過軟件實時顯示，方便了解鋼絲繩和吊碼的受力。

應用TSV-BLS吊裝軟件模擬吊裝過程，計算在上升和平穩階段鋼絲繩的拉力，主鉤鋼絲繩定義為L1-L8，尾副鉤為L9-L12、首副鉤為L13-L16，起吊過程中鋼絲繩最大受力數值如表2所示。

表2 鋼絲繩和吊碼受力值

從表2可知：上升階段鋼絲繩拉力值大于平穩階段拉力值，上升階段大小為41.17 t，位置為首副鉤L15-L16吊碼。

3.3 吊碼方案調整

由于首副鉤鋼絲繩的最大拉力為41.17 t，超過D40吊碼的許用值40 t，因此，為確保吊裝安全，將首副鉤的吊碼類型全部由D40更換為D50。

4 吊裝結果分析

通過TSV-BLS軟件自帶的DYNAMIS求解器，計算吊裝過程中總段的最大應力和最大變形，從而驗證總段的應力和變形是否滿足許可要求，對不滿足要求的位置進行適當加強并重新計算，直到滿意為止。

4.1 變形分析

由于總段自身的重力作用，導致在其吊裝過程中吊碼和邊緣位置發生較大變形。首先，在上升階段，考慮到上升加速度的影響，其變形值較大，如圖9所示。

圖9 結構變形（上升階段）

在平穩階段，由于只受到重力影響，其變形值較小，如圖10所示。

圖10 結構變形（平穩階段）

由圖9-圖10可知，總段的最大變形出現在甲板面，結構變形的最大值在上升階段為21.26 mm，而在平穩階段為18.8 mm，且最大變形均發生在甲板面FR22處。

結合船廠的工程經驗，結構在1 000 mm范圍內出現1～3 mm的變形，認為整體吊裝是安全的，由此規定機艙總段吊裝的變形準則為2/1 000。

機艙總段最大變形為21.26 mm，其所在結構的總尺寸為20 600 mm，變形比例為1/1 000 ＜2/1 000。因此，判定結構的變形滿足安全吊裝要求。

4.2 應力分析

本部分分析EB1總段在吊裝階段的最大應力，驗證結構是否滿足其強度要求，是否需要加強。

圖11 結構最大應力值（上升階段）

圖12 結構最大應力值（上升階段）

由圖11-圖12可知：在上升階段，結構最大應力發生在總段左舷，主吊鉤下方FR29甲板橫梁上，材料為AH36級鋼，最大應力值為157 MPa。由于AH36級鋼的屈服應力為355 MPa，安全系數根據規定為1.4～1.7，現取安全系數為1.5，則其最大應力安全許可值為237 MPa，總段最大應力小于最大應力許可值，因此，在上升階段，結構的應力完全滿足要求，不需任何加強措施。

由圖13可知：平穩階段最大應力值為140.2 MPa，其完全滿足最大應力安全許可值237 MPa。因此，在結構的平穩階段，應力完全滿足，不需要任何加強措施。

圖13 結構最大應力值（平穩階段）

在平穩階段，結構最大應力發生的位置與上升階段一致，但是最大應力比上升階段有所降低，由于上升階段存在一定的加速度，所以上升階段最大應力值比平穩階段大。

綜上所述，EB1總段結構在吊裝過程中，因上升和平穩階段最大應力均在安全應力范圍內，不需額外加強措施，滿足起吊條件。

5 結 論

根據滿足要求的吊裝方案，泰州口岸船舶有限公司順利完成46車/999客客滾船機艙總段的吊裝。通過本文計算結果分析得到以下結論：

（1）TSV-BLS吊裝軟件可從Tribon生產設計中直接導入船體模型，實現從生產設計模型到有限元模型的轉換，極大節省了船體建模的工作量，模擬吊裝過程，并實現鋼絲繩拉力、結構變形和應力的計算，提高了總段吊裝分析的效率。

（2）在實際吊裝過程中，需要考慮因偏心的影響而使鋼絲繩和吊碼受力可能存在較大差別，必須根據實際情況，通過相應計算選擇合適的吊碼。

（3）由于分段起吊過程中存在一定的上升加速度，考慮到吊裝的安全性，結構許可應力的安全系數一般取為1.5，結構許可變形比例取為2/1 000，以確保吊裝安全。

（4）機艙總段的整體吊裝可有效提高搭載效率、縮短塢期，可為其他船型的建造提供借鑒。