大型分段吊裝分析方法探究與比較

姜季江

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

0 引言

隨著造船技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及對(duì)造船效率要求的提高，大型分段或者超大型分段越來越多的應(yīng)用到船舶合攏階段，以減少吊裝次數(shù)、縮短建造周期。由于大型分段的尺寸較大，舾裝程度較高，吊裝時(shí)既要考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，同時(shí)也要考慮船體變形不會(huì)對(duì)舾裝設(shè)備產(chǎn)生破壞。因此，對(duì)大型分段進(jìn)行吊裝分析非常必要。

近些年來，越來越多設(shè)計(jì)研究人員采用有限元數(shù)值分析方法對(duì)分段吊裝進(jìn)行了模擬。張延昌等[1]利用MSC.Patran&Nastran軟件對(duì)上層建筑整體吊裝強(qiáng)度進(jìn)行了分析，同時(shí)設(shè)立吊裝前和吊裝過程中2種約束工況來比較應(yīng)力變化，并合成得到吊裝引起的變形情況；邵逸峰等[2]利用 MSC.Patran&Nastran對(duì)大型液化氣船液貨艙整體吊裝進(jìn)行了分析，并采用桿單元來模擬鋼絲繩。郭俊偉等[3]利用Bently STAAD.PRO軟件對(duì)大型海工模塊進(jìn)行了吊裝分析，并采用彈簧單元來解決吊裝分析中約束不足問題。

本文將以第六代鉆井船的生活樓模塊和鉆臺(tái)模塊為例，對(duì)吊裝分析方法作進(jìn)一步探索，并對(duì)不同分析方法的結(jié)果進(jìn)行比較研究。

1 有限元模型

1.1 鉆井船生活樓和鉆臺(tái)模塊分段

該船生活樓模塊分段長29.3 m、寬34.0 m、高22.4 m，總重1 466.66 t；分別在FR232和FR272各布置2組16個(gè)吊點(diǎn)，總計(jì)32個(gè)吊點(diǎn)。該船鉆臺(tái)模塊分段長21.5 m、寬25.6 m、高13.9 m，總重1 189.463 t；分別在左舷距中6 555mm和右舷距中6 045 mm處各布置2組16個(gè)吊點(diǎn)，總計(jì)32個(gè)吊點(diǎn)。

1.2 單元選擇與網(wǎng)格大小

根據(jù)船級(jí)社規(guī)范[4-5]要求，有限元分析中所采用的單元類型如下：

板單元：甲板、外板、艙壁、大型肘板、吊耳、強(qiáng)框架腹板等板材結(jié)構(gòu)。

梁單元：甲板和外板縱骨、艙壁扶強(qiáng)材。

桿單元：強(qiáng)框架面板、屈曲加強(qiáng)筋、鋼絲繩。

此外，對(duì)于分段內(nèi)的舾裝設(shè)備，可以采用質(zhì)量單元來模擬。

對(duì)于吊裝分析，網(wǎng)格大小通常不超過為一個(gè)骨材間距尺寸（s）；鉆井船生活樓和鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，網(wǎng)格大小分別取為s/2和s/4。吊耳處作為應(yīng)力集中處，是分析的重點(diǎn)區(qū)域，因此網(wǎng)格大小應(yīng)取為板厚（t）為宜；有時(shí)為了模擬吊孔，網(wǎng)格大小可以接近30 mm～50 mm，但如果過小，則由于板厚尺寸比太大，得到的結(jié)果會(huì)失真。此外，在吊裝時(shí)都會(huì)有較大的應(yīng)力響應(yīng)的地方，如最下層強(qiáng)梁處的開孔等都需要采用較小的網(wǎng)格尺寸。

圖1 生活樓有限元模型

圖2 生活樓吊耳模擬

圖3 生活樓最下一層強(qiáng)梁開孔模擬

圖4 鉆臺(tái)有限元模型

圖5 鉆臺(tái)吊耳模擬

1.3 重量重心調(diào)整

吊裝分析中，重量重心的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。對(duì)于大型分段，可以將重量分為3個(gè)等級(jí)。

1）鋼結(jié)構(gòu)及附屬品：鋼結(jié)構(gòu)占分段的主要部分，其在有限元模型中均已得到較為細(xì)致的模擬。但由于油漆、焊縫、小尺寸肘板等并未在模型中體現(xiàn)，因此，有限元模型重量通常比實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)重量要小。另外，很多設(shè)備如內(nèi)裝板、電纜等都是沿著鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置的，可以將其看作是鋼結(jié)構(gòu)的附屬品。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)重量差值和內(nèi)裝板等重量，可以通過加大材料密度來實(shí)現(xiàn)。

2）大型設(shè)備：大型設(shè)備重量較重，通常采用MPC加質(zhì)量點(diǎn)的方式施加各設(shè)備的實(shí)際位置處，質(zhì)量點(diǎn)的重量重心屬性與設(shè)備保持一致。

3）其他家具家電、小型設(shè)備：這一類設(shè)備由于布置在甲板上較為分散且重量較輕，可以以均布質(zhì)量點(diǎn)的方式施加在分段各層甲板。

在調(diào)整重量重心過程中，應(yīng)先將1）和2）中的重量重心調(diào)整到位，然后根據(jù)剩余重量差值和重心偏差來確定 3）的均布質(zhì)量大小和布置范圍，最終將模型重量重心調(diào)整到與理論統(tǒng)計(jì)值相一致。

2.4 載荷條件分析

大型分段吊裝時(shí)載荷可以分為：自重、環(huán)境條件下的風(fēng)載荷以及起重機(jī)起升所產(chǎn)生的慣性力附加。

對(duì)于自重，在有限元分析中，直接施加?9.81 m/s2的重力加速度；

至于風(fēng)載荷，由于吊裝時(shí)都會(huì)選擇天氣良好的情況下進(jìn)行，風(fēng)力較小且與總重比差別較大，對(duì)吊裝分析結(jié)果影響不大，可以忽略；

起重機(jī)起升所產(chǎn)生的慣性力附加，一般是以一定系數(shù)加在重力加速度上，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[6]，取1.2。

2.5 邊界條件分析

邊界條件的設(shè)立，直接影響吊裝分析的準(zhǔn)確性。目前，主流的方法有3種。

1）分為2種約束工況：一是吊裝前工況約束分段底部X（縱向）、Y（橫向）和Z（垂向）3個(gè)方向平動(dòng)自由度；二是吊裝過程中約束其中一個(gè)角點(diǎn)處吊點(diǎn)X、Y和Z3個(gè)方向平動(dòng)自由度，其余吊點(diǎn)則只約束Z向平動(dòng)自由度。

2）將所有載荷經(jīng)過理論計(jì)算得到所有吊耳處的拉力，并直接加載在吊耳處，然后在重心位置處約束X向和Z自由度；

3）將鋼絲繩模擬出來，然后在鋼絲繩頂部約束X、Y和Z3個(gè)方向平動(dòng)自由度，并為了避免約束不足，需要在模型兩側(cè)中心位置處補(bǔ)充平動(dòng)約束。

將以上3種方法均在生活樓分段和鉆臺(tái)分段進(jìn)行吊裝分析，得到以下結(jié)論。

1）第一種約束方法：其每組吊點(diǎn)處的支反力均不一致，而且由于每個(gè)吊點(diǎn)約束了垂向自由度，即平臺(tái)最終變形只有中部凹陷，但整體是平的。這與實(shí)際情況不一致。根據(jù)吊裝布置，每一側(cè)的吊點(diǎn)是通過一系列定滑輪和動(dòng)滑輪以及鋼絲繩連接，在吊裝過程中，每一組吊點(diǎn)處的支反力幾乎一致。而且，由于重心偏差，在起吊瞬間不調(diào)整浮吊吊臂及其主纜的情況下，被吊分段是會(huì)有所傾斜和旋轉(zhuǎn)的。

2）第二種約束方法：理論上該方法對(duì)于吊耳是比較準(zhǔn)確的，但是由于鉆臺(tái)分段重心位置處是空的，根本無法施加類似約束，分析無法進(jìn)行。而生活樓吊裝分析中，會(huì)出現(xiàn)約束不足的現(xiàn)象。

3）第三種約束方法：分析可以順利進(jìn)行，但是每組吊點(diǎn)處的鋼絲繩支反力差別較大。這主要是由于被吊分段自身每一處的剛度不一致，所引起的鋼絲繩變形也不同，并最終導(dǎo)致鋼絲繩軸向力和支反力也不一樣，這與實(shí)際情況也是不相符的。

由此可見，上述3種約束方法均有瑕疵，因此需要調(diào)整如下：

首先，將鋼絲繩按實(shí)際長度和角度模擬，并采用常用鋼絲繩彈性模量，本文中取140 GPa；然后在鋼絲繩頂部約束X、Y和Z3個(gè)方向平動(dòng)自由度，并為了避免約束不足，需要在模型兩側(cè)中心位置處補(bǔ)充平動(dòng)約束。然后開始第一次試算。在第一次試算結(jié)束以后，對(duì)所有鋼絲繩支反力進(jìn)行匯總，并與理論值進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)計(jì)算值與理論值的比值，來調(diào)整每一根鋼絲繩的彈性模量，同時(shí)稍微調(diào)整兩側(cè)平動(dòng)約束點(diǎn)，以保證平動(dòng)約束點(diǎn)處的支反力不能過大，調(diào)整好后進(jìn)行第二次計(jì)算。如此重復(fù)數(shù)次以后，可以將每組鋼絲繩的支反力調(diào)整到較為一致的結(jié)果。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，支反力與理論值相差 5%以內(nèi)時(shí)，僅吊耳處的應(yīng)力有所差別，但對(duì)被吊分段本身影響不大，此時(shí)的模型，可以用作最終的吊裝分析。

3 結(jié)果分析

按照調(diào)整鋼絲繩剛度和約束條件以后的生活樓及鉆臺(tái)分段吊裝分析結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 生活樓吊裝

從結(jié)果可以看出，鋼絲繩支反力較為接近，吊點(diǎn)處應(yīng)力分布均勻，符合實(shí)際情況；兩個(gè)分段的變形分別只有23.4 mm和10.4 mm，扣除鋼絲繩的拉伸變形，分段的變形將更小，滿足吊裝要求。同時(shí)2個(gè)分段模型吊裝分析顯示略有傾斜和旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過實(shí)際吊裝觀察，情況一致。由此可見，調(diào)整以后的吊裝分析完全合理。

4 結(jié)論

根據(jù)目前主流吊裝分析方法研究發(fā)現(xiàn)，原有的分析方法中對(duì)于約束條件的設(shè)定存在一定瑕疵。本文提出調(diào)整鋼絲繩剛度和平動(dòng)約束點(diǎn)的方法，可以較為合理的模擬不同大型分段吊裝實(shí)際過程中的受力與變形情況，為其他分段吊裝分析起到一定的指導(dǎo)作用。

圖7 鉆臺(tái)吊裝