郵輪大尺度薄板分段翻身專用裝置設計

2022-03-04 11:28:02張理燕陳小雨張海甬

船海工程 2022年1期

張理燕，陳小雨，張海甬

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

目前國內現有造船廠在船體制造過程中對分段結構的翻身，主要利用門式起重機起吊、單點松鉤、旋轉翻身、再掛鉤等工序配合完成空中分段翻身。這種分段翻身工藝是通過焊接在分段結構上的吊碼通過起重機直接翻身，由于吊點布置受限，這種工藝適用于結構較強的分段，否則會引起分段整體彎曲變形或者吊碼區域局部變形。大型郵輪建造中的分段主要是薄板分段，為提高建造效率和結構質量，薄板分段多以平臺甲板為基面進行反態建造和預舾裝，再翻身朝上進行船體總組拼裝。因此，在薄板分段翻身過程中必須防止結構變形，才能達到建造過程中高精度和高質量要求。為此，開發專用翻身裝置。

1 薄板分段建造工藝

1.1 薄板分段參數

所述豪華郵輪共有490個薄板分段，其中需使用翻身裝置的分段330個，長度為10～16 m，寬度大于32 m的140個，16～32 m的150個，小于16 m的40個。重量大于50 t的100個，30～50 t的160個，小于30 t的70個。全寬型分段，即分段船寬方向尺寸占大部分甲板寬度尺寸的薄板甲板分段共170個(見圖1)，半寬型分段，即分段船寬方向大部分都在船體左舷或右舷的薄板甲板分段共160個，見圖2。

圖1 全寬型分段

圖2 半寬型

薄板分段的特點主板結構較薄，一般厚度約6 mm，縱骨球扁鋼厚度一般為5 mm，T-BEAM的主板厚度一般不大于8 mm，且存在大量減輕孔，因此薄板結構的整體剛性較弱，無法應用常規的翻身工藝。

1.2 翻身工藝分析

基于薄板結構剛性較弱的特點，必須考慮增加剛性以解決翻身工藝的問題。以2根剛性梁作為翻身的主體，將薄板結構約束在鋼梁結構上。薄板結構與鋼梁的約束方式采用鉸鏈，提高了薄板分段的固定約束的效率，避免常規采用焊接形式帶來的安裝周期長、結構變形大等影響。

在薄板分段甲板面安裝專用吊環，吊環布置對應薄板分段翻身裝置上吊環插入孔位置中心，選取與分段重心基本對稱的2檔間距8.7 m的T-beam檔肋位，并均勻布置。對全寬薄板分段計設置12只吊環，對半寬薄板分段計設置6只吊環，對介于半寬與全寬之間尺寸薄板分段共計設置8只吊環。

為便于平板車運輸分段進入翻身裝置，同時要保證翻身時2根鋼梁保持平行不發生扭轉，一端采用封閉結構固定約束2根鋼梁的相對位置，另一端采用裝拆式吊梁結構。

使用寬度大于等于7 m平板車運輸薄板分段至翻身裝置處，并通過調整平板車的姿勢將分段上的吊環插入至薄板分段翻身工裝孔中,見圖3。

圖3 分段到位

用插銷將工裝上的花籃螺栓和分段上的吊碼連接固定。通過龍門吊1號、2號鉤起吊翻身工裝繞基座旋轉至90°(見圖4)，最后在3號鉤的配合下使薄板分段翻身工裝繼續旋轉90°，使分段呈正態，見圖5。

圖4 吊裝翻身

圖5 翻身結束

2 翻身裝置設計思路

2.1 參數確定

根據分段結構參數及翻身工位場地的情況(42 m×16 m)，開發薄板分段專用翻身裝置,裝置主尺度：沿船長9.3 m,沿船寬38 m,高3.1 m,自重約83 t，最大翻身能力120 t，見圖6。

圖6 工裝基本結構圖

2.2 強度計算

2.2.1 主結構強度計算

翻身過程中各姿態下鋼梁的受力狀態不同，需要結合翻身裝置和薄板分段的工藝特征進行力學分析。

1)有限元建模。按分段重量為80、100、200 t 3種情況，分段重心高度為1 m，將分段尺寸限定為32.4 m×11.6 m。采用有限元3D模型模擬翻轉工裝，板厚采用建造板厚。單元類型為殼單元和梁單元，網格尺寸模型兩端為50 mm×50 mm,其他位置采用300 mm×300 mm，見圖7。

圖7 有限元模型

2)工況設置。設計工況選取正常作業狀態下的8種工況。設計載荷為承載分段重量和翻轉工裝自重，具體工況設置見表1。

表1 工況設置

3)有限元方法計算結果

(1)參考衡準。參考《GB/T 26079—2010 梁式吊具》標準，A類彎曲設計時梁強度安全系數不小于2.0。

(2)結果匯總。采用Q345鋼材時，翻轉工裝應力計算結果見表2。

表2 von mises應力

2.2.2 吊梁強度計算

為保護機組不超壓,防喘振控制系統設置了一條出口壓力上限安全線（PAH），當壓力到達安全線（PAH）時,旁路閥快速打開，限制出口壓力，同時DCS上將旁路閥閥開度鎖定在100%上，入口導流葉片閥開度鎖定在0%上，壓縮機卸載。

1)有限元建模。根據公司吊車工況，吊梁設計總長為12 m，吊環距端面0.25 m，支座間距為8.7 m關于吊梁中心點對稱布置，吊梁總重10 t。吊梁幾何模型見圖8。

圖8 吊梁幾何模型

吊梁模型本體以及上半部加強蓋板選用的是3節點、4節點殼單元，圓管外沿加強材選用Beam單元進行模擬，網格尺寸約為50 mm×50 mm，共得到22 728個單元。吊梁有限元模型見圖9。

圖9 吊梁有限元模型

2)工況設置。根據實際吊裝工況，該吊梁用于80，90，100，120 t分段翻身作業，因此在計算中對支座1處設置全約束，支座2處僅保留吊梁軸向平動的自由度。載荷方面，將吊梁、翻身工裝和分段的重量總和平均分在2只吊環上，方向為豎直向上。

3)有限元結果。按照上述工況提交計算，各分段重量對應的應力計算結果見表3，120 t分段的應力和變形見圖10。

表3 計算結果匯總表

圖10 分段重量為120 t時的計算結果

2.2.3 墊塊的應用

由于部分分段甲板面梁拱高度≤0.2 m，另外還存在外板等結構伸出甲板高度≤0.2 m的分段。為確保薄板分段放置在翻身工裝主梁上整體受力均勻，因此需要設計專用墊塊(見圖11)，墊塊高0.2 m，與翻身工裝通過鉸鏈連接固定。當不需要使用墊塊的工況時，將墊塊進行止鎖固定；當使用該墊塊時，應預先將薄板分段翻身裝置的墊塊翻身墊在主梁上。