某型巡邏艇整體吊裝方案設計

摘 要：本文根據某型巡邏艇需要吊裝到大型船舶再運輸的任務，設計了一套適用于該艇的整體吊裝方案。采用通用有限元軟件對吊裝過程進行了詳細的計算，研究了吊裝過程中和坐墩時艇體變形和應力，討論了吊裝時艇體變形對軸系的影響。本文給出了較為詳細的整體吊裝方案，對相關型號船舶的吊裝作業具有一定的指導意義。

關鍵詞：整體吊裝;變形分析;強度校核;有限元分析

中圖分類號：U671.5

文獻標識碼：A

1 前言

巡邏艇由于主尺度較小、重量較輕，在下水、稱重、轉運等建造環節，采用整體吊裝不失為一種簡單、經濟、高效的方案。此時，船體的結構強度和剛度、吊裝工藝等是整體吊裝中最為關心的問題，也是整體吊裝方案成敗的關鍵因素。

吊裝過程中，確定船舶結構的危險部位的受力情況是至關重要的因素。整體吊裝方案的研究引起了國內眾多研究者的重視，王金虎等[1]通過30 m拖輪整體吊裝下水的實施案例，介紹了船舶整體吊裝下水的原理、方法及流程;劉連偉等[2]通過有限元分析法對漁船使用吊裝下水時的強度進行分析，并闡述了吊裝過程中漁船的具體狀況;高明等[3]通過某漁船吊耳處受力分析確定了三級吊繩吊裝方案，并針對某漁船的吊裝下水進行了方案設計和有限元強度計算，得到了最優吊裝方式。

本文通過對某型巡邏艇整體吊裝過程進行的有限元計算分析，研究了吊裝過程中和坐墩后艇體變形和應力分布情況，以及吊裝時艇體變形對軸系的影響;同時給出了較為詳細的吊裝方案，對類似船舶整體吊裝作業具有一定的指導意義。

2 整體吊裝方案設計

2.1 艇的主要參數

該艇采用圓舭折角線型，四機、四槳、雙舵推進。主艇體為單底、單甲板、縱骨架式鋼質焊接結構，甲板室為縱骨架式鋁質焊接結構，鋼質主船體與鋁質甲板室之間采用鋁一鋼復合材料焊接連接。

艇的主要參數：

總長

- 46m

型寬

-7m

型深

- 3.6 m

空船重量

- 190t

2.2 整體吊裝方案

傳統的吊裝方案一般是在船體上預設吊耳或焊接臨時吊耳，并對吊耳周邊結構進行加強，其存在工作量較大、影響船舶外觀、增加船體重量，并可能對船體結構造成破壞等諸多弊端。本文創新設計了一種新型整體吊裝裝置和方法，該裝置由兩組沿船長方向設置的吊裝托架、撐桿、吊索及其附件組成（見圖1），參考CB/Z 230-86《船舶上層建筑整體吊裝技術要求》進行設計。

吊裝托架主要由護木固定架、墊木、扒釘、橡膠墊等組成：為避免吊裝過程中索具擠壓和摩擦艇體，在吊點處沿艇體橫向設置幾組護木固定架，通過索具將其與撐桿連接;為防止劃傷艇體，護木與艇體接觸部位需墊膠墊，護木與固定架之間用扒釘緊固，護木固定架之間采用橫向和縱向固定索，進行連接后通過螺旋扣拉緊。

2.3 吊裝受力分析

該艇空船重量約為190 t，計算時考慮10%的余量即為209 t，重心位于FR51+120（本艇FRO位于船首，肋距500 mm）。綜合考慮空船縱向重心位置、總體布置、線型及艇體結構特點，選取兩個吊點分別位于FR60和FR30主橫艙壁處。根據杠桿原理，可計算得到FR60吊點的反力為148.0 t、FR30吊點的反力為61.0 t。

2.4 吊索設計

吊索與撐桿的夾角一般應大于60°，在計算吊索受力時實取夾角為60°，同時吊索的最大受力考慮不均勻系數1.5°由于本方案每個吊點處均采用兩根吊索，則FR60吊點處吊索的最大受力為64.1 t、FR30吊點處吊索的最大受力為26.4 t。

FR60吊點處的吊索選用：6x36WS+IWR-68鋼芯（ GB/T 20067-2006），公稱抗拉強度1960 MPa、最小破斷拉力3 230 kN，吊索的安全系數為5.14;FR30吊點處的吊索選用：6x36WS+IWR-46鋼芯（GB8918-2006），公稱抗拉強度l 770 MPa、最小破斷拉力1330 kN，吊索的安全系數為5.14，滿足規范要求的安全系數5-6。

2.5 撐桿設計

計算撐桿軸向壓力時，實取吊索與撐桿的夾角為60°，則撐桿軸向壓力為629 kN;撐桿橫截面為D219#12的無縫鋼管，為增加撐桿橫截面積在其上下方加設T型加強筋T14*145/12*45，則其總橫截面積為12 981 mm2，由此可得撐桿的軸向壓應力為48.4 MPa，小于其許用應力[σ]=σs/k=78.33 MPa，滿足強度要求。

撐桿的穩定性，參考CCS《鋼質內河船舶建造規范（2016）》進行校核。支撐構件的軸向壓應力應不大于由下式計算所得值：

l/r≤ 120時，[σ]=119.56_4.9x10_3（l/r）2

l/rgt; 120時，[σ]=7.056x10 5（l/r）2式中：l—撐桿長度，cm;

r—撐桿剖面的最小慣性半徑，cm。

計算時，取吊點處撐桿的長度=676 cm、r=6. 15cm，代入相關數據可得[σ]=60.2 MPagt;48.4 MPa，滿足穩定性要求。

3 艇體結構強度及剛度分析

3.1 有限元模型

采用通用有限元軟件MSC.PATRAN/NASIRAN，建立本艇的有限元模型：艇體結構中的板材采用板單元模擬;主要支撐構件、扶強材、縱骨、支柱、軸系、尾軸架等采用梁單元模擬，并考慮各構件的實際截面和偏心主機、輔機、艦炮等設備采用0維質量單元模擬，并通過MPC連接至相應的基座;舵機、錨機、錨、螺旋槳、油水等采用0維質量單元模擬其它的舾裝、動力、輔助、電氣、通導、武備等專業的重量，按照重量分布以質量點的方式施加于模型相應位置。為了使有限元模型的重量、重心與吊裝和坐墩時實艇情況保持一致，采取改變材料密度的方法進行調整。

模型網格尺寸：縱向以肋距、橫向、垂向以縱骨間距為基準進行劃分。模型共有12 002個節點、12 784個板單元、16 244個梁單元、1736個質量單元。

3.2 吊裝時艇體應力及變形計算

吊裝時艇體應力及變形計算采用的邊界條件為：在FR60和FR30吊點處底部和舭部木方處施加簡支約束。計算得到艇體最大應力出現在FR60吊點舭部木方處，其值為73.9 MPa（見圖2），小于局部強度計算時所采用的強度標準0.8倍的屈服強度，即0.8*235=188MPa，因此吊裝時艇體強度滿足要求。

艇體最大變形出現在尾封板處，其值為11.3 mm（見圖3），僅為尾封板至后吊點FR60的跨距13 500 mm的0.08%。根據GB 4000-2000《艦船通用規范》關于主船體剛度校核的規定：鋼質排水型水面艦艇的最大撓度應不大于U500，即87 mm。綜合上述兩點，因此吊裝時艇體剛度滿足要求。

3.3 坐墩時艇體應力及變形計算

本艇在運輸船上的坐墩布置，根據艇體線型、結構布置、重量分布、海底閥箱布置、測深儀計程儀船底開口等情況，采取龍骨墩及邊墩組合形式。在FR80、FR76、FR72、FR68、FR64、FR56、FR52、FR48、FR44、FR39、FR34、FR27、FR23、FR19、FR13、FR7設置龍骨墩，在FR72、FR56、FR44、FR27設置邊墩。

坐墩時艇體應力及變形計算，采用的邊界條件為：在墩木與船體接觸處施加簡支約束。計算得到艇體在坐墩處出現明顯的應力集中現象，最大應力出現在FR80墩木與船體接觸處，其值為46.7 MPa（見圖4），小于局部強度計算時所采用的強度標準0.8倍的屈服強度，即188 MPa，因此坐墩時艇體強度滿足要求。

主艇體最大變形出現在尾封板處，其值僅為1.17 mm（見圖5），因此坐墩對艇體剛度不會產生影響。

3.4吊裝過程艇體變形對軸系的影響

軸系安裝定位是以軸系首、尾基點作為安裝對中的基點，是相對船體的位置。艇在吊裝的過程中軸系會隨艇體一起變形，變形方向與變形量一致時可認為船體變形對軸系的影響較小。

吊裝方案在FR60及FR30兩處設吊點，后機處于FR60之后，主機、齒輪箱、軸系會整體隨船體一起變形，變形的方向一致，船體恢復變形后會隨船體恢復，因此后軸系在整個吊裝過程中影響不大，可不考慮應對措施;前機處于FR60之前，主機、齒輪箱及部分軸系（ FR51-FR60）基本無變形，FR60之后軸系會隨船體下垂，中間軸承的負荷會加大，經建模計算各軸承及齒輪箱基座的受力情況如圖6所示。

由圖6可知：中間軸承的支撐重量最大，約3.32kN，遠小于軸承可承受的最大靜載荷678 kN。考慮到吊裝后軸系會隨船體彈性恢復，因此本吊裝方案對軸系影響可以忽略;坐墩時船體變形量遠小于吊裝時船體變形量，軸系承受的變形載荷也小于吊裝時承受的載荷，因此坐墩時對軸系影響也可忽略。

4 結論

本艇吊裝前后對艇體和軸系變形進行了監測，變形在可控范圍之內，證明了整體吊裝方案的正確性。根據本艇整體吊裝情況，總結出以下結論，可為今后相關型號船舶整體吊裝方案設計提供參考：

（1）結合影響巡邏艇整體吊裝的關鍵技術和吊裝工藝中可能出現的應力和變形問題，整理出一套合理可行的整體吊裝方案;

（2）艇體吊裝撐桿和吊索結構形式的選擇應有一定的裕度，吊裝托架和索具安裝位置的選擇應在主要受力構件上，最好選擇在橫艙壁上，同時應考慮全船重量的分布;

（3）吊裝受力分析時的安全系數，可用作強度儲備以應付吊架和索具制作、安裝的焊縫尺寸差異以及整艇重量及重心、吊點的計算等引起的誤差，以及由吊裝過程中的不慎而引起的沖擊和受風搖擺所引起的吊繩角度的變化等諸多意外因素;

（4）本挺設有尾滑道裝置，尾部有尾門和小艇，吊裝時尾部應力和變形比較大，在艇體結構設計時需要特殊考慮;

（5）吊裝時軸系變形控制是難點，如果出現超預期變形需上船臺進行處理，這是吊裝時需重點關注的地方;

（6）本艇機艙靠船舯部，四根軸系比較長，中間軸承布置均勻，吊裝時對軸系的變化進行全程監控，確保變形量不超過設計值;

（7）本艇吊裝考慮的僅是艇體和軸系的變形，其它設備和一些特殊要求的設備未進行考慮，吊裝時風、浪、流等環境因素的影響也未考慮，這是今后需要進一步完善的地方。

參考文獻

[1]王金虎，劉俊賢.小型船舶整體吊裝下水工藝[J].科技資訊，2016，14（028）： 64-66.69.

[2]劉連偉.有限元法在漁船吊裝下水中強度分析[J].科技創新與應用，2014 （04）：3 9.

[3]高明，劉剛，黃一，張崎，黃如旭.漁船吊裝下水強度有限元分析[J].船舶工程，2011，33 （06）： 18-21，95.