大型船舶上層建筑整體吊裝方案有限元分析

劉凌杰，董利民，李 瑞，孫瑞雪

(1.大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116024；2.大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116011)

0 引 言

上層建筑整體吊裝是指將上層建筑作為完整模塊在平臺上進行建造，并對其進行預舾裝和涂裝等作業，再將完整的上層建筑模塊整體吊裝至船塢，與主船體進行合龍[1]。為提高生產效率、縮短船舶建造周期和降低造船成本，上層建筑整體吊裝已成為必然趨勢。但船舶大型化和預舾裝程度提高使上層建筑整體分段的尺寸與質量越來越大，而剛度則變小，因此上層建筑的整體吊裝變得更加困難。為保證吊裝安全順利進行，設計合理的吊裝方案并對吊裝的上層建筑提前進行有限元分析至關重要。

文獻[2]～文獻[5]分別對不同載重量集裝箱船上層建筑整體吊裝進行有限元分析，對吊裝方案進行優化，以保證上層建筑總段吊裝過程順利進行。張超[6]對深水海工作業輔助船(Subsea Support Vessel，SSV)上層建筑吊裝進行有限元分析，根據計算結果對吊裝方案進行改進，以保證吊裝過程中的上層建筑結構強度滿足要求。文獻[7]～文獻[9]分別對不同載重量的散貨船上層建筑整體吊裝進行有限元分析，對局部進行加強，以保證吊裝過程的安全性。李永正等[10]利用MSC Nastran對超大型油船(Very Large Crude Carrier，VLCC)上層建筑進行整體吊裝強度有限元分析，得到各層結構響應，提出結構加強措施，有效降低結構應力和變形。上述研究均運用有限元計算軟件對上層建筑整體吊裝過程中的應力變形進行分析計算，并涉及對吊裝方案的改進和對改進方案合理性的分析驗證，但改進方案均對結構進行加強，未考慮對吊點位置和數量進行調整，未針對吊點位置和數量對上層建筑整體吊裝過程中的應力變形影響進行研究分析。

以某大型船舶上層建筑整體吊裝為例，利用MSC.Patran和MSC Nastran，根據吊點位置和數量不同的3個吊裝方案，對吊裝過程中的上層建筑應力和變形進行有限元計算，并對計算結果進行比較分析。

1 基本情況

該型船上層建筑長為24 850.0 mm(FR6～FR36)，寬為29 650.0 mm(上層建筑左右舷圍壁間距為27 200.0 mm)，高為26 390.0 mm；各層甲板采用橫骨架式；采用低碳鋼材料，密度為7 850 kg/m3、彈性模量E=2.06×106MPa，泊松比為0.3，許用應力為235.0 MPa。總體坐標原點設置于船尾底部船舶實際原點處：x軸沿船體縱向，向首為正；y軸沿船體橫向，由右舷指向左舷為正；z軸沿船體垂向，向上為正。上層建筑計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)三維模型如圖1所示，其中：Z為全船坐標系下的垂向坐標。

上層建筑質量為366 t，舾裝質量為222 t，其質量重心分布如表1所示。

2 吊裝方案

吊裝方案主要包括選用起重機類型、吊點位置和局部加強等方面。3個吊裝方案均采用單臺900 t門式起重機對上層建筑進行吊裝。吊點位置須滿足鋼絲繩對夾角的要求，應確保鋼絲繩與豎直方向夾角較小，否則將加大鋼絲繩的負載。應根據分段的質量重心進行配置，吊點一般設置于重心的兩側對稱位置，有利于吊裝時的分段受力平衡。不僅應考慮分段質量，而且應考慮各種舾裝件質量。為保證結構強度、減小變形，一般將吊點設置于強構件位置，且在某些應力集中或易發生變形的部位采用局部加強，因此3個吊裝方案均通過在吊點位置背面添加肘板的方式對結構進行局部加強。吊裝方案對比如表2所示。吊裝方案掛繩如圖2所示。

表2 吊裝方案對比

3 有限元模型

3.1 模型創建

有限元模型中的板材均為平面板，為便于建模及網格劃分，忽略板材上的較小開孔。板材主要采用四節點四邊形板單元，在部分角隅處采用三角形單元。對橫梁、縱骨和縱桁等加強材采用梁單元，對較小骨材進行簡化處理，將其換算為等效板厚加至對應板上。上層建筑有限元模型如圖3所示。

圖3 上層建筑有限元模型

3.2 質量重心調整

在上層建筑整體吊裝中，預舾裝程度較高。由于舾裝件布置一般較為均勻，因此采用調密度法將舾裝質量均勻施加至整個模型上。通過軟件可自動計算模型質量重心，與實際情況對比，若差距較大則可通過集中質量調節重心位置。模型與實際質量重心對比如表3所示。由于上層建筑采用低碳鋼為材料，其密度為7.85×10-9t/mm3，經調整將密度設為1.262 1×10-8t/mm3。

表3 模型與實際質量重心對比

4 吊裝強度分析

4.1 邊界條件與載荷條件

在對上層建筑施加邊界條件時應聯系工程實際，在眼板位置上應約束眼板與上層建筑接觸位置的x、y和z方向的位移。為防止某些舷伸甲板的局部奇異性變形對計算結果準確性的影響，對舷伸甲板基部加強材位置的節點z方向位移進行約束。載荷條件是對上層建筑模型施加z方向的重力場，取g=9.8 m/s2，其他方向為0。

4.2 方案1計算結果

將在MSC.Patran中創建的模型按方案1施加邊界條件和載荷條件，導入MSC Nastran進行計算，將得到的結果重新導入MSC.Patran進行后處理。方案1應力變形云圖如圖4所示。

圖4 方案1應力變形云圖

由計算結果可知：最大應力為142.0 MPa，位于第3層甲板FR6的L2吊點附近；最大變形為27.0 mm，位于第2層甲板FR19的L-2附近(右側大開口中間部位)。方案1計算結果匯總如表4所示。

表4 方案1計算結果匯總

4.3 方案2計算結果

按方案2對模型施加邊界條件和載荷條件進行計算，方案2應力變形云圖如圖5所示。

圖5 方案2應力變形云圖

由計算結果可知：最大應力為105.0 MPa，位于頂層圍壁FR7的L-8下方隅角附近；最大變形為32.3 mm，位于右舷側支柱底端。方案2計算結果匯總如表5所示。

表5 方案2計算結果匯總

4.4 方案3計算結果

按方案2對模型施加邊界條件和載荷條件進行計算，方案3應力變形云圖如圖6所示。

圖6 方案3應力變形云圖

由計算結果可知：最大應力為98.9 MPa，位于第2層甲板吊點下方圍壁頂端附近；最大變形為20.7 mm，位于左舷側支柱底端。方案3計算結果匯總如表6所示。

表6 方案3計算結果匯總

5 結 論

對某大型船舶上層建筑整體結構3個吊裝方案的結構響應進行有限元分析，計算得到上層建筑各構件在吊裝過程中的應力與變形水平，根據有限元計算結果進行對比分析，結論如下：

(1)采用方案3，上層建筑在吊裝過程中產生的應力與變形均小于方案1和方案2，因此方案3為最優方案，該方案產生的最大應力為98.9 MPa，結構強度滿足要求。

(2)結構高應力主要出現于吊點附近、角隅附近和縱橫強構件間斷處等部位，在吊裝過程中可采取適當加強。

(3)在3個吊裝方案中，兩側支柱的底端變形均較大，原因在于結構的整體變形在該處的迭加。

(4)結構的大變形主要出現于舷伸甲板、一端自由的支柱、大開口中部和無縱橫構件支撐的甲板中部等部位，在吊裝過程中可采取適當加強。

(5)由方案1與方案2對比可知：適當增加吊鉤和吊點的數量，可減小結構在吊裝過程中產生的應力。因此，在條件允許的情況下，可在吊裝方案中適當增加吊點和吊鉤數量。

(6)由方案2與方案3對比可知：將布置于同層甲板的吊點分散至多層甲板，可減小結構在吊裝過程中產生的應力和變形。因此，在條件允許的情況下，應盡可能將吊點布置于多層甲板。

上述結論可在吊裝方案設計優化過程中起到較強的指導和借鑒作用，但研究存在一些不足，例如未考慮外部載荷影響和眼板強度問題，在后續研究中加以改進。