長(zhǎng)江游輪大型分段吊裝數(shù)值分析及應(yīng)用

楊敬東，岳新霖，谷 磊，陳茂僑

(1. 重慶交通大學(xué)，航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶市船舶檢驗(yàn)中心有限公司，重慶 400074)

0 引 言

為滿足長(zhǎng)江三峽游旅客對(duì)游輪功能提升的需求，長(zhǎng)江游輪主尺度日趨大型化，船舶分段尺度及重量也在增大，導(dǎo)致建造過(guò)程中出現(xiàn)一些吊裝安全事故。近期某長(zhǎng)江游輪建造過(guò)程中，上層建筑04分段在吊裝過(guò)程中發(fā)生折斷，造成分段工期延誤、建造成本增加等負(fù)面影響。針對(duì)出現(xiàn)的安全問(wèn)題，采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法對(duì)事故原因進(jìn)行仿真分析，并提出解決的辦法。

1 事故分段簡(jiǎn)介

事故分段為上層建筑04分段(圖1)。分段吊裝上升過(guò)程中發(fā)生斷裂，斷裂處位置接近上甲板中心線，多處橫梁撕裂(圖2)，分段左側(cè)因與地面接觸存在艙壁變形，甲板未開(kāi)裂，但折痕清晰(圖3)。

圖2 構(gòu)件損壞情況Fig. 2 Component damage situation

圖3 甲板損壞情況Fig. 3 Deck damage situation

對(duì)04分段吊裝進(jìn)行模擬分析[1-3]，擬通過(guò)模擬數(shù)值分析驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)吊裝方案是否可行，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)應(yīng)著重檢查分段理論中線處各構(gòu)件情況，除考慮屈服應(yīng)力外，還應(yīng)考慮剪應(yīng)力、變形等情況是否滿足安全標(biāo)準(zhǔn)[4-5]。

2 安全標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)值模擬時(shí)應(yīng)確保分段整體和各構(gòu)件滿足：

1)船體建造材料需采用CCS(中國(guó)船級(jí)社)認(rèn)證船用材料，構(gòu)件材料(不同規(guī)格尺寸角鋼、鋼板)許用屈服強(qiáng)度為290 MPa，取安全系數(shù)s=1.5[6-7]，屈服強(qiáng)度應(yīng)滿足：

(1)

式中：[σ]為許用屈服強(qiáng)度。

2)剪切應(yīng)力τ應(yīng)滿足：

(2)

式中：[τ]為許用剪切應(yīng)力。

3)分段變形應(yīng)滿足變形率不超過(guò)2‰[8]，即1 m范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)變形應(yīng)不超過(guò)2 mm。

綜上，模擬結(jié)果應(yīng)滿足屈服應(yīng)力不大于193.33 MPa，剪切應(yīng)力不大于96.67 MPa，變形率不超過(guò)2‰的安全標(biāo)準(zhǔn)，且在滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的情況下，應(yīng)盡可能減少加強(qiáng)構(gòu)件重量，并考慮施工難度，滿足建造工期和經(jīng)濟(jì)性[9]要求。

3 事故分段模擬及吊裝方案分析

3.1 模型建立

事故分段為上層建筑04分段(圖4)，模型原點(diǎn)位于74# 肋位。04分段第一處強(qiáng)肋骨位于肋位正中底部，以船首為X正向，右舷為Y正向，頂棚甲板方向?yàn)閆正向，建立空間坐標(biāo)。分段長(zhǎng)16 m，寬18.6 m，設(shè)計(jì)重量為45 t，為縱骨架式，肋骨間距0.55 m，縱骨間距0.5 m，設(shè)計(jì)重心坐標(biāo)為(6.21,0.02,2.01)，強(qiáng)肋骨與橫梁間距2.75 m。

圖4 04分段結(jié)構(gòu)Fig. 4 04 section structure

04分段無(wú)貫通艙壁，甲板處存在開(kāi)口。分段中梁、柱和縱骨采用ANSYS BEAM188模型模擬，板采用SHELL181模型模擬，不同尺寸構(gòu)件賦予不同截面形狀。

模擬分段吊裝時(shí)重力加速度取9.806 m/s2，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，將風(fēng)力、吊裝加速度等折算為系數(shù)，換算為模型重量[10]。折算后，模擬時(shí)最終取重力加速度的1.2倍，即g=9.806×1.2 m/s2=11.76 m/s2。吊耳布置位置由設(shè)計(jì)資料及相似分段的實(shí)際布置位置情況確定。

04分段最終仿真模型如圖5，模型設(shè)計(jì)重量為43.724 t，與實(shí)際偏差小于3%，重心位置位于分段距中偏右處，坐標(biāo)為(6.24,0.02,2.02)，符合艙室布置、構(gòu)件分布情況，滿足模擬計(jì)算要求。

圖5 仿真模型Fig. 5 Simulation Model

3.2 分段吊裝數(shù)值模擬及分析

3.2.1 04分段模擬計(jì)算及分析

04分段吊裝模擬計(jì)算后結(jié)果如圖6。在無(wú)加強(qiáng)措施的情況下，該分段的最大位移為425 mm，變形量大于2‰，最大應(yīng)力為1.94×109Pa(大于193.33 MPa)，超出安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 分段模型初始狀態(tài)模擬計(jì)算Fig. 6 The initial state simulation calculation of the segmented model

04分段吊裝仿真計(jì)算結(jié)果中，應(yīng)力、應(yīng)變均超出安全標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合圖紙分析，這是由于分段結(jié)構(gòu)存在甲板大開(kāi)口，且上層建筑分段內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸偏小，導(dǎo)致04分段在吊裝時(shí)發(fā)生結(jié)構(gòu)撕裂。

經(jīng)分析并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，對(duì)發(fā)生事故的04段采用總段吊裝與子分段吊裝兩種方案進(jìn)行加強(qiáng)模擬。

3.2.2 總段吊裝模擬

在原有分段尺寸不變的情況下，只增加支撐材料對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)給予加強(qiáng)的方式稱(chēng)為總段吊裝。

在仿真模型中對(duì)未加強(qiáng)的04分段吊裝模擬計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中發(fā)生在04分段的最大橫艙壁開(kāi)口處(圖7)。這是由于存在構(gòu)件圍壁交叉現(xiàn)象，造成此處結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)大于其余位置。

圖7 04分段未加強(qiáng)時(shí)應(yīng)力集中區(qū)域(單位：Pa)Fig. 7 Stress concentration area before block 04 unstrengthening

對(duì)此處構(gòu)件采用8 mm厚板(設(shè)計(jì)板厚為5 mm)進(jìn)行1次加強(qiáng)，模擬發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力結(jié)果雖有改善，但最大應(yīng)力仍不滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，且最大應(yīng)力處、應(yīng)力集中區(qū)域均轉(zhuǎn)移至吊耳布置處(圖8)，說(shuō)明只對(duì)開(kāi)口處用鋼板封閉加強(qiáng)不能滿足安全評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行2次加強(qiáng)。

圖8 1次加強(qiáng)后應(yīng)力集中區(qū)域(單位：Pa)Fig. 8 Stress concentration area after once strengthening

圖9 2次加強(qiáng)后04分段模擬(單位：Pa)Fig. 9 Simulation diagram of block 04 after twice strengthening

2次加強(qiáng)后，模擬計(jì)算得到最大應(yīng)力為360 MPa，位于桁架與艙室圍壁的連接橫梁處(圖9)，最大應(yīng)力仍然超過(guò)安全標(biāo)準(zhǔn)，需對(duì)該處圍壁進(jìn)行3次加強(qiáng)。

3次加強(qiáng)中，在最大應(yīng)力處橫壁上增加一個(gè)20#槽鋼，與甲板結(jié)合共同形成框架以減小應(yīng)力，3次加強(qiáng)后04分段模擬如圖10。

總段吊裝模擬經(jīng)過(guò)3次加強(qiáng)后，最大屈服應(yīng)力為193.13 MPa，最大剪切應(yīng)力為74.8 MPa，最大位移為31.8 mm，變形率為31.8 mm/16 000 mm=1.987 5‰，變形率小于2‰，滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，最終受力結(jié)果如圖11。

圖10 3次加強(qiáng)后04分段模擬(單位：Pa)Fig. 10 Simulation diagram of block 04 after third strengthening

圖11 總段吊裝最終計(jì)算結(jié)果Fig. 11 Final calculation results of total section hoisting

3.2.3 子分段吊裝模擬

通過(guò)減小分段尺寸以降低分段重量，使起吊時(shí)分段整體負(fù)荷降低的方式，稱(chēng)為子分段吊裝。

根據(jù)甲板拼板、艙室分布等情況，將04分段分為A、B、C、D 4個(gè)子分段，如圖12。

圖12 子分段劃分示意Fig. 12 Sub-segmentation diagram

因C分段自重最大，且存在甲板開(kāi)口，吊裝時(shí)應(yīng)力和變形比其余3個(gè)分段大，故選擇C分段進(jìn)行模擬計(jì)算。C分段長(zhǎng)為7.5 m，寬為9.3 m，自重為11.592 t，無(wú)加強(qiáng)情況下吊裝模擬結(jié)果如圖13。圖中最大應(yīng)力為221.71 MPa，最大位移為32.36 mm(變形率大于2‰)，不滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行加強(qiáng)。

圖13 子分段吊裝模擬計(jì)算Fig. 13 Sub-segmentation hoisting simulation calculation

造成C分段吊裝時(shí)不滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的原因?yàn)椋喝狈ω灤┛v壁，且縱桁尺寸不足，形成了如同懸臂梁式的支撐結(jié)構(gòu)；電梯井縱壁上的開(kāi)口破壞了縱壁的連續(xù)，使縱壁底部自由端產(chǎn)生了過(guò)大橫向位移。

綜上，C分段加固方案為：選用L63×40×5角鋼作為加強(qiáng)材料，在分段尾部距中4 500～7 900 mm甲板處增加X(jué)形斜撐〔圖14(a)〕；在橫壁距中4 500～7 900 mm底部用角鋼連接；電梯井處底部加X(jué)形斜撐，距中6 000 mm電梯井壁開(kāi)門(mén)處加X(jué)形斜撐〔圖14(b)〕。

圖14 子分段吊裝模擬加強(qiáng)Fig. 14 Sub-segmentation hoisting simulation enhancement

結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后子分段吊裝模擬的最大屈服應(yīng)力為136 MPa，最大剪切應(yīng)力為45.9 MPa，最大位移為16.3 mm，變形率為16.3 mm/9 300 mm= 1.752‰<2‰，如圖15，滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖15 子分段吊裝最終計(jì)算結(jié)果Fig. 15 Final calculation results of sub-segmentation hoisting

3.2.4 方案比較

由模擬結(jié)果可得：

1)總段吊裝。可以節(jié)省吊裝次數(shù)，提高吊裝效率，但方案復(fù)雜，支撐構(gòu)件尺寸不統(tǒng)一，會(huì)造成安裝難度較大。且加強(qiáng)構(gòu)件過(guò)多，不僅增加了建造成本，還增加了吊裝過(guò)程中的分段自重(增加重量占分段自重約1%)，增加了吊裝安全隱患。

2)子分段吊裝。雖增加了吊裝次數(shù)，但各子分段自重小，可以使用小噸位門(mén)吊或多輛吊車(chē)等方式吊裝，方案靈活；同時(shí)加強(qiáng)方式簡(jiǎn)單，易于安裝與拆除，對(duì)建造成本負(fù)擔(dān)較小。

兩方案建造成本對(duì)比如表1，表中工時(shí)折算為費(fèi)用金額。

表1 不同方案建造成本對(duì)比Table 1 Comparison of construction costs of different schemes

結(jié)合建造方施工能力，為保障施工安全，推薦使用子分段吊裝進(jìn)行吊裝作業(yè)。實(shí)際建造過(guò)程中也使用了子分段吊裝，得到了良好反饋。

綜上，內(nèi)河游輪上層建筑分段由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸較小，整體剛度偏弱，所以在吊裝時(shí)不宜采用大尺寸分段整體吊裝方案，宜采用較小尺寸分段進(jìn)行吊裝。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)內(nèi)河船舶建造工序中吊裝方案依賴(lài)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，缺少理論數(shù)據(jù)支撐的問(wèn)題，提出了總段吊裝加固和子分段吊裝加固兩種不同的吊裝實(shí)施方案，并根據(jù)實(shí)際建造數(shù)據(jù)，利用有限元軟件建立大型船舶上層建筑分段模型，利用力學(xué)相關(guān)理論，確定吊裝過(guò)程的載荷分布特點(diǎn)和相關(guān)安全要求，并對(duì)不同方案下的吊裝過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬計(jì)算結(jié)果表明：總段吊裝方案雖然可以節(jié)省吊裝時(shí)間，但對(duì)分段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高，對(duì)建造現(xiàn)場(chǎng)吊裝工具要求高，安全隱患較大；子分段吊裝方案雖然需要多次吊裝，但對(duì)現(xiàn)場(chǎng)吊裝工具要求較低，吊裝方案更為靈活，更能滿足現(xiàn)階段內(nèi)河船舶建造方需求；建造實(shí)例反饋也證實(shí)了，采用子分段吊裝方案可以更好地消除吊裝過(guò)程中的安全隱患，對(duì)提高施工質(zhì)量也有著一定的優(yōu)勢(shì)。