巨型總段吊裝方案設計及有限元分析

徐爍碩，尚朝陽，劉 濤

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引言

船舶建造過程必然包括吊裝、翻身等過程，隨著船舶的大型化以及預舾裝度的逐步提高，在船塢總組階段的總段質(zhì)量也越來越大，這對吊裝方案提出更高要求。在設計吊裝方案時，要綜合考慮總段質(zhì)量和質(zhì)心位置、吊車能力、吊點位置、加強結(jié)構(gòu)等多方面因素，保證吊裝過程的安全性。在仿真技術(shù)的支持下，韓國實現(xiàn)了5 000 t 的巨型總段建造[1]，而我國船企目前吊裝能力普遍在400～500 t。由于巨型總段自身質(zhì)量大、各區(qū)域強度不一，在吊裝過程中結(jié)構(gòu)受力不均，故可通過仿真技術(shù)模擬吊裝過程，并在此基礎上采取相應的變形控制技術(shù)。劉凌杰等[2]對某大型船舶上層建筑整體吊裝擬定的3 種吊裝方案進行有限元分析，通過對比應力和變形情況選擇最優(yōu)方案。王銘等[3]通過對180 000 t 散貨船機艙大總段的吊裝過程進行數(shù)值模擬，優(yōu)化加強方案，提高生產(chǎn)效率。韋曉強[4]在上層建筑整體吊裝中借助有限元技術(shù)找出上層建筑中結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，制定科學的吊裝工藝。

本文針對EZ01C 巨型總段設計2 種吊裝方案：1）底部設置鋼梁整體吊裝；2）甲板設置吊環(huán)吊裝。通過有限元分析2 種方案的結(jié)構(gòu)受力和變形情況，明確各方案的優(yōu)劣勢，選擇合適的吊裝方案。

1 吊裝方案設計

EZ01C 總段范圍為#122+300～#202+200，總段設有1 甲板、2 甲板、3 甲板和內(nèi)底，在#124、#148、#162、#183、#201等肋位設有橫艙壁。主船體采用縱骨架式，骨架系統(tǒng)由1 甲板、2 甲板、3 甲板、舷側(cè)外板、內(nèi)底和外底的縱向連續(xù)構(gòu)件組成，縱骨間距為390 mm，肋骨的理論間距為500 mm。EZ01C總段包含12 個分段，總段質(zhì)量為900 t。主船體及上層建筑的各層甲板、外板主要采用L907A高強度低合金鋼，球扁鋼均采用L907A 高強度低合金鋼。

吊裝方案設計遵循以下基本原則：1）在安全可靠的情況下要兼顧經(jīng)濟性，且易于操作；2）充分利用現(xiàn)有的吊裝設備；3）吊裝過程中避免吊繩碰到結(jié)構(gòu)；4）根據(jù)總段質(zhì)量和質(zhì)心位置合理布置吊環(huán)，減少非必要破壞，吊環(huán)應布置在強結(jié)構(gòu)處。

根據(jù)總段質(zhì)量分布、質(zhì)心位置和現(xiàn)場吊裝設備情況，設計出2 種吊裝方案。

1）方案1。采用2 臺小車進行聯(lián)吊，在總段底部設置12 根120t 鋼梁，12根鋼梁分別設置在#124+100、#129、#135、#142、#148、#155、#162、#169、#177、#183、#194、#200+400 處，總段底部與鋼梁之間設置鋼墩和鋼管支撐，鋼梁與鋼梁之間采用工字鋼連接。艏部6 根鋼梁為一組，由1#小車吊起；艉部6 根鋼梁為一組，由2#小車吊起，每組鋼梁由鋼索和卸扣相連。由于總段寬度超過龍門吊車寬度，為避免吊繩對船體甲板邊板造成影響，在1甲板邊緣與外板相交處設置圓鋼進行企口保護。方案1 示意見圖1。

圖1 方案1 示意圖

2）方案2。在甲板上設置32 個40 t吊環(huán)，吊環(huán)分別布置在#124、#127、#151、#155、#174、#177、#194、#198 這8處強肋位上。艏部4 組吊環(huán)為一組，由1 號小車吊起；艉部4 組吊環(huán)為一組，由2 號小車吊起。方案2 甲板布置情況見圖2。

圖2 方案2 甲板布置情況

2 有限元分析

本文使用MSC PATRAN 建立整個總段的有限元模型，參考《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶船體結(jié)構(gòu)強度直接計算指南》選取有限元網(wǎng)格尺寸，平面四邊形單元的尺寸以縱骨間距和肋距為準。縱骨、扶強材、加強筋等構(gòu)件采用一維梁單元，保證梁單元截面的幾何要素與相應構(gòu)件一致并做適當偏移。調(diào)整模型的質(zhì)心位置，使其與實際結(jié)構(gòu)的質(zhì)心一致。鋼梁兩側(cè)吊環(huán)采用多點約束（Multi-Point Constraints,MPC）點模擬。鋼梁單元和船體結(jié)構(gòu)單元之間在布置支墩的位置處采用MPC單元相連。在計算鋼索對船體舷側(cè)作用力時，采用以下近似處理：1）每根鋼索的張力相等；2）忽略鋼索沿船長方向傾角產(chǎn)生的張力分量。鋼絲繩與甲板舷側(cè)的擠壓以水平分力施加于甲板舷側(cè)，在自重的作用下對結(jié)構(gòu)進行有限元分析。方案1 有限元模型見圖3。

圖3 案1 有限元模型

為保證吊裝過程的安全性，根據(jù)《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》，結(jié)構(gòu)許用應力的計算公式為

式中：σs為材料的屈服極限；n為安全系數(shù)，對于合成應力應取1.3。

EZ01C總段的船體結(jié)構(gòu)采用L907A 高強度低合金鋼，材料的屈服極限為390MPa，因此許用合成應力為300 MPa。

方案1 的有限元仿真結(jié)果見圖4。由圖4可知，船體結(jié)構(gòu)的最大應力為98.2 MPa，出現(xiàn)在設置鋼梁肋位處船底肋板上；最大變形為5 mm，出現(xiàn)在2甲板大開口處。底部鋼梁結(jié)構(gòu)最大應力為109MPa，出現(xiàn)在鋼墩設置處；最大變形為12 mm，出現(xiàn)在鋼梁兩端，呈上翹形狀。方案1計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

圖4 方案1 有限元仿真結(jié)果

方案2 在1 甲板上設置8 組32 個吊環(huán)，直接用2臺小車起吊。不考慮鋼絲繩斜向分力，將整個總段質(zhì)量均分到32 個吊環(huán)上進行近似處理。方案2有限元仿真結(jié)果見圖5。由圖5可知，船體結(jié)構(gòu)最大應力為215MPa，設置吊環(huán)處的縱橫向強結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)應力較大的現(xiàn)象。最大變形為10.5 mm，出現(xiàn)在艏艉兩端最外側(cè)一組吊環(huán)處的甲板上。若采用方案2，則需要在設置吊環(huán)的強結(jié)構(gòu)處，增加支撐結(jié)構(gòu)，以方便結(jié)構(gòu)力的傳遞，進而降低吊環(huán)強框架的應力以，并減少甲板變形。

圖5 方案2 有限元仿真結(jié)果

3 結(jié)果對比分析

方案1 和方案2 仿真結(jié)果的對比情況見表1。由表1 可知，方案1 的最大應力和變形均遠小于方案2，且方案1 的最大應力出現(xiàn)在船底強肋板處，此處結(jié)構(gòu)強度大，更有利于保證結(jié)構(gòu)的安全性。雖然方案2 的最大應力未超出許用應力，但方案2 的主要受力結(jié)構(gòu)是吊環(huán)下強框架結(jié)構(gòu)，需要在吊環(huán)下強框架處設計支撐結(jié)構(gòu)以保證力的傳遞。然而，相較于方案1，方案2 在操作性和經(jīng)濟性方面更有優(yōu)勢。綜上所述，從變形控制角度來說優(yōu)先選擇方案1；從經(jīng)濟性和操作性角度來講優(yōu)先選擇方案2，但需要采取適當?shù)募訌姶胧?/p>

表1 方案1 和方案2 仿真結(jié)果的對比情況

綜合考慮各種影響因素，本文選用方案1。在實船吊裝過程中，需要在鋼梁與船底板之間對稱設置鋼管支撐。吊裝過程中需要做到統(tǒng)一指揮、分步實施、職責分明、責任到人。

4 結(jié)論

本文針對某巨型總段吊裝到船塢進行總組的需求，在綜合考慮巨型總段、現(xiàn)場吊車和吊索具特點的基礎之上提出了底部設橫梁整體吊裝和甲板設吊環(huán)直接吊裝等2 種吊裝方案，并進行有限元仿真。有限元仿真結(jié)果表明：底部設橫梁整體吊裝方案的安全性更有優(yōu)勢，甲板設吊環(huán)直接吊裝方案的經(jīng)濟性和操作性更有優(yōu)勢。研究成果可為巨型總段吊裝方案設計提供一定參考。