SSV上層建筑整體吊裝有限元分析

張 超

(大連中遠海運重工有限公司 遼寧大連116113)

0 引 言

上層建筑整體吊裝已有二十多年的歷史，國內大多數船廠都采用上層建筑整體吊裝。近年來，隨著船舶建造設施的改善和技術水平的提高，對造船速度提出更高要求。船舶的舾裝程度是制約快速造船的重要因素，上層建筑是船舶舾裝的最大部分，提高其吊裝前的舾裝程度，會大幅縮短船舶建造周期、降低造船成本。但船舶大型化使上層建筑的整體尺寸、重量越來越大，結構剛性越來越小，船體預舾裝占比越高，上層建筑的整體吊裝越困難。

本文以 SSV(深水海工作業支持船)的上層建筑為研究對象，利用FEMAP軟件對其整體吊裝時的強度進行有限元分析。

1 上層建筑基本情況及有限元模型

1.1 坐標系和計算單位

坐標系統采用右手坐標系，原點位于基平面上中心線與 FR0交點處。x軸為縱向，指向船艏方向為正；y軸為橫向，指向左舷方向為正；z軸為垂向，指向上方為正。

計量單位采用公制單位，長度為毫米(mm)，力為牛頓(N)，應力為兆帕(MPa)。

1.2 材料屬性

結構材料為A級普通鋼，屈服強度為 235MPa，楊氏模量為 2.06×105MPa，泊松比為 0.3，鋼材密度7.85×10-6kg/mm3。

1.3 上層建筑結構形式及重量重心

SSV系列船的上層建筑共 5層，長 44.15m，寬27m，高 26.76m(包括雷達桅)，結構大部分采用普通碳素鋼，吊耳及與吊耳連接結構采用高強度鋼，上層建筑總重979.387t，其重量重心數據見表1。

1.4 有限元模型

根據 SSV上層建筑圖紙，利用 FEMAP軟件建立有限元模型，其中包括 5層結構。上層建筑的甲板、圍壁、強橫梁的腹板使用板單元進行模擬；骨材、加強筋、扶強材和強橫梁的面板使用梁單元進行模擬；雷達桅結構使用質量單元進行模擬，并用剛性單元與頂甲板連接。上層建筑中的部分肘板結構、艙壁及強橫梁上的小開口結構，對吊裝整體強度影響較小，未在模型中進行模擬。有限元模型的網格尺寸為200mm×200mm，吊耳及附近加強結構的網格尺寸為50mm×50mm。有限元模型如圖1所示。

表1 SSV上層建筑重量重心Tab.1 Weight and center of gravity of SSV superstructure

1.5 邊界條件和荷載施加

根據 SSV上層建筑的吊裝方案，計算對鋼絲繩末端約束x、y、z 3個方向的平動自由度。上層建筑吊裝需在天氣良好的條件下進行，因此吊裝過程中整個結構所受外載荷僅為結構重力，即對結構垂向施加慣性載荷 az＝1gn＝9.81m/s2。

圖1 SSV上層建筑有限元模型Fig.1 FEA model of SSV superstructure

2 上層建筑吊裝整體強度分析

2.1 吊耳布置

SSV上層建筑使用德浮 3600t海吊吊裝，根據上層建筑結構形式，在船長甲板左右舷兩側 FR167至 FR175區域內各布置 8個吊耳，在駕駛甲板左右舷兩側FR139至FR143區域內各布置8個吊耳，吊耳采用 A級普通強度鋼，與上建甲板及圍壁雙面角焊連接。對于 SSV上層建筑結構，船長甲板附近外圍壁不連續，大開口長度約 13m，吊裝中增加強梁框架進行補強。吊耳布置如圖2所示。

圖2 吊耳布置及大開口位置臨時加強Fig.2 Pad eye arrangement and temporary reinforcement at openings

2.2 組合系數和許用應力

SSV上層建筑結構吊裝根據 DNV船級社規范進行分析計算。上層建筑吊裝是一個持續過程，吊運過程中有很大的不確定性，對于上層建筑吊裝有限元分析需要考慮一系列荷載修正系數，如動態放大系數、重心偏移系數、吊索具修正系數、荷載組合系數等。具體荷載修正系數見表2。

表2 吊裝荷載修正系數Tab.2 Lifting load correction factors

上層建筑整體吊裝時，考慮材料安全系數為1.15，結合表 2中規定的各項荷載修正系數，可知SSV上層建筑吊裝時不同結構的許用應力，其中吊耳的許用應力為 102.02MPa，吊耳支撐結構的許用應力為 115.32MPa，其余上建結構的許用應力為132.61MPa。

2.3 上層建筑屈服強度校核

上層建筑吊裝時，通常根據畸變能理論進行屈服強度校核，米賽斯屈服應力(Von Mises Stress)計算公式如下：

式中：1σ、2σ、3σ為3個主應力。

利用 FEMAP軟件對建立的上層建筑有限元模型進行計算，初步計算后發現吊耳下方圍壁上門窗開孔處應力較大，且有一定的變形，吊裝時需對這些區域的門窗進行封堵處理。

對修改后的上層建筑吊裝模型進行再次計算，結構整體應力分布、最大應力區域、吊耳處應力和上建整體位移如圖3—圖6所示。

SSV上層建筑強度計算結果如表 3所示。計算結果顯示，加強后的上層建筑結構應力小于許用應力，結構強度滿足要求，其中最大應力為 126.9MPa，出現在橋樓甲板艏部窗戶附近。吊耳最大應力為102.4MPa，略大于許用應力，分析可知，應力較大單元網格小于 50mm×50mm，吊耳結構滿足設計要求。吊裝時模型最大垂向位移為25.32mm，整體變形比例小于1/1000，可滿足上層建筑吊裝要求。

圖3 上層建筑整體應力分布Fig.3 Entire Von Mises Stress distribution of superstructure

圖4 上層建筑最大應力分布區域Fig.4 Max.Von Mises Stress distribution of superstructure

圖5 吊耳處應力分布Fig.5 Von Mises Stress distribution of pad eyes

圖6 上層建筑垂向位移Fig.6 Vertical displacement of superstructure

表3 SSV上層建筑吊裝的最大應力和位移Tab.3 Max.Von Mises Stress and displacement of superstructure

2.4 上層建筑屈曲強度校核

SSV上層建筑結構的甲板和圍壁板厚較小，吊裝時易出現失穩情況導致結構局部變形，結構屈曲校核十分必要。其極限屈曲狀態應滿足如下強度準則：

式中：σxmax為沿板格長邊最大壓應力；σymax為沿板格短邊最大壓應力；τ為最大板邊剪應力；σUx為沿著板格長邊平行方向的極限屈曲應力；σUy為沿著板格短邊平行方向的極限屈曲應力；Uτ為極限屈曲剪應力；η為屈曲失效的應力倍增因子。

計算中選取甲板及圍壁板進行屈曲校核，提取板格的最大正應力和剪應力，填入根據規范編寫的相關表格中計算。計算結果顯示，所選板格的屈曲利用率均小于 1，上層建筑吊裝屈曲強度滿足規范要求，屈曲校核過程如圖7所示。

圖7 板格屈曲校核Fig.7 Plate buckling check

3 結 論

本文通過對 SSV上層建筑建立有限元模型，施加重力荷載并考慮吊裝時的荷載修正系數，得到吊裝時的應力和變形，進行屈服和屈曲強度校核，并根據計算結果對某些應力較高區域進行臨時加強，以保證上層建筑吊裝作業的順利進行。該計算方法可以有效對吊裝方案的合理性進行評估，對生產建造具有重要指導意義。目前已經完成 4條 SSV系列船的全部上層建筑吊裝作業，進一步證明經過計算校核的吊裝方案的安全性。