有限元法在漁船吊裝下水中強(qiáng)度分析

劉連偉

摘 要：船只下水通常都會(huì)采用吊裝下水的方式，船廠需要充分考量工期以及船臺(tái)安排情況。船體的吊裝由于涉及到船體的重量以及尺寸，因此吊裝設(shè)備的剛度以及強(qiáng)度需要有所保障。以此吊裝方案設(shè)計(jì)的合理性要求極為嚴(yán)格，需要對(duì)吊耳以及吊繩強(qiáng)度進(jìn)行保證。文章通過有限元分析法對(duì)漁船使用吊裝下水時(shí)的強(qiáng)度進(jìn)行分析，并闡釋了吊裝過程中漁船的具體狀況。

關(guān)鍵詞：下水；漁船吊裝；有限元分析

1 引言

船廠在船只維修管理時(shí)需要對(duì)船塢的工期以及船臺(tái)的使用進(jìn)行安排，因而有些船只下水會(huì)使用吊裝的方式。但是考慮到船體的結(jié)構(gòu)以及具體的重量尺寸狀況，吊裝的強(qiáng)度、剛度保證成為了吊裝船只的首要難題。對(duì)于吊裝方式的選擇以及對(duì)船只吊裝時(shí)吊耳以及吊繩的有限元分析，能夠充分保證船只吊裝的順利的進(jìn)行。

2 有限元模型的建立

文章對(duì)船體吊裝采用了案例分析的方式進(jìn)行論述，以雙層底的單殼結(jié)構(gòu)漁船作為分析吊裝的對(duì)象。該船體具有雙層甲板，縱骨之間距離0.6米，肋骨之間距離0.57米。而內(nèi)外底骨架則采用了混合式，舷側(cè)以及甲板的骨架則采用了橫骨架結(jié)構(gòu)。

船體的有限元模型建立采用了目前船只模型建立中較為常用的Ansys軟件。而模型的建立中單元板材采用了shell63殼，而單元骨材則使用了beaml88梁，單元模擬中空心立柱管采用了pipe16管。模擬模型有176960個(gè)單元，另外具有57543個(gè)節(jié)點(diǎn)。而吊裝時(shí)船體會(huì)受到重力作用，因而船體的承載力也需要考慮在吊裝狀況影響因素中。因而有限元分析法對(duì)于船體、設(shè)備的重心位置是對(duì)吊裝強(qiáng)度計(jì)算的關(guān)鍵點(diǎn)。有限元模型中對(duì)于船體的重心位置調(diào)整主要是通過調(diào)整船體鋼材密度進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于設(shè)備的調(diào)整則是改變質(zhì)量單元的方式進(jìn)行模擬。

3 方案選擇

全船吊裝方式在進(jìn)行時(shí)會(huì)由于起吊作用使得船體發(fā)生變形，而對(duì)于船體較長的船只而言，變形量更大，因而吊裝時(shí)需要增設(shè)吊耳，并保證吊耳的分布能夠均勻，其主要原則為：吊耳分布要對(duì)稱，保證整體吊裝面的平衡，避免縱傾彎矩。另外吊耳的設(shè)置盡量在強(qiáng)力構(gòu)件的縱向以及橫向的交界處。

4 吊點(diǎn)計(jì)算

這里計(jì)算的吊點(diǎn)為中心吊點(diǎn)。由于吊裝使用的是多級(jí)吊繩，因而必須將中間吊點(diǎn)的位置進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算，以此確定吊繩的級(jí)數(shù)選擇以及吊耳、全船數(shù)值的模擬。對(duì)于中間吊點(diǎn)的計(jì)算，應(yīng)當(dāng)保證左舷右舷的吊繩位置完全對(duì)稱，吊點(diǎn)的位置由于為對(duì)稱形式，因而文章僅對(duì)一側(cè)的中間吊點(diǎn)進(jìn)行了計(jì)算。該船的吊裝方式采用了十六吊耳以及三級(jí)吊繩方案進(jìn)行吊裝，因而一側(cè)有八個(gè)吊耳，考慮到船體艏部四個(gè)吊耳及其相連吊繩與艉部四個(gè)吊耳及其相連吊繩的形式一致，因而對(duì)于計(jì)算模型的設(shè)置可以再次進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅對(duì)船尾吊繩、吊點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，其他部位計(jì)算方法以此類推。

該種計(jì)算方法計(jì)算出的中間吊點(diǎn)是摒除了吊繩變形以及船體變形等不利因素，但是船體的吊裝變形以及吊繩的變形是切實(shí)存在不可避免的，因而中間吊點(diǎn)會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，尤其當(dāng)船體的變形超過了規(guī)定限度時(shí)，中間吊點(diǎn)發(fā)生了嚴(yán)重的位置變化。對(duì)于該類問題可以通過有限元分析同最優(yōu)化方法相互結(jié)合的方式予以解決，該種迭代的計(jì)算方式的具體操作步驟如下：

（1）以吊繩中二級(jí)以及三級(jí)吊繩的繩長為基礎(chǔ)，結(jié)合已知吊點(diǎn)坐標(biāo)通過最優(yōu)法對(duì)中間吊點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算；

（2）將上步中得出的坐標(biāo)值輸入到Ansys軟件中，并通過該軟件分析計(jì)算全船結(jié)構(gòu)；

（3）通過軟件對(duì)船體進(jìn)行計(jì)算后，將吊點(diǎn)和中間吊點(diǎn)的位置位移坐標(biāo)輸入最優(yōu)化求解程序中；

（4）通過對(duì)吊點(diǎn)以及中間吊點(diǎn)的變形計(jì)算得出二級(jí)吊繩繩長以及三級(jí)吊繩繩長；

（5）對(duì)吊點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，并判斷精度是否達(dá)到要求，如若精度達(dá)標(biāo)則循環(huán)停止，若精度不夠則需要重復(fù)上述步驟。

當(dāng)通過最優(yōu)化求解方式將精度調(diào)整到一定的范圍中，使得吊裝的中間吊點(diǎn)位置能夠滿足吊裝需求時(shí)，則將二級(jí)吊繩以及三級(jí)吊繩穿過動(dòng)滑輪，并保證兩段吊繩上的軸向力相等。而在軸向力上誤差小于千分之五可以認(rèn)為吊點(diǎn)的位置精度滿足了吊裝的基本需求，上述循環(huán)能夠結(jié)束。而對(duì)該漁船的三級(jí)吊繩中間吊點(diǎn)使用該種綜合迭代的方式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，通過一個(gè)小時(shí)的最優(yōu)化計(jì)算以及有限元分析，共迭代計(jì)算63次。對(duì)于該類分析一般會(huì)使用相應(yīng)的專業(yè)軟件，方便對(duì)相關(guān)的參數(shù)以及模型進(jìn)行修改，并對(duì)中間吊點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整。

5 吊繩和吊耳模型

對(duì)中間吊點(diǎn)首次采用最優(yōu)化方式求解后，在有限元模型的基礎(chǔ)上對(duì)船體繼續(xù)擰吊繩系統(tǒng)以及同吊繩系統(tǒng)適應(yīng)的吊耳的建立，并保證吊繩能夠同吊耳眼板處于一個(gè)平面，以此平衡吊裝過程中船體的平衡。在使用最優(yōu)化計(jì)算方法對(duì)吊繩的變形情況和船體的變形情況進(jìn)行分析時(shí)，每完成一個(gè)循環(huán)后需要對(duì)吊繩系統(tǒng)的模型進(jìn)行更新重建，而在有限元分析法的應(yīng)用中同樣需要模型的重建。當(dāng)通過上述的迭代后，吊點(diǎn)能夠基本獲得穩(wěn)定，最終通過確定吊繩系統(tǒng)，對(duì)吊耳的眼板進(jìn)行配套的重新建立。

6 結(jié)果分析

為了更直觀地反映中間吊點(diǎn)位置的計(jì)算精度，本文給出上級(jí)吊繩與下級(jí)吊繩之間的夾角關(guān)系并通過判斷相連吊繩中兩段吊繩所確定的平面法線是否與第三段吊繩垂直來判斷相連吊繩是否共面。

通過上述分析中可以看出，上一級(jí)吊繩與其相連的下一級(jí)吊繩的角度基本相等，最大相對(duì)誤差為0.042%，說明上級(jí)吊繩在下級(jí)吊繩的角平分線上。通過對(duì)吊繩以及中心吊點(diǎn)的分析可以看出兩根吊繩所確定的平面的法線與第三根吊繩的夾角基本等于90°，最大相對(duì)誤差為0.064%，說明相連吊繩共面。通過以上分析可知，中間吊點(diǎn)位置的計(jì)算結(jié)果在幾何上能很好地滿足精度要求。

另外，分別將未考慮船體和吊繩變形以及考慮了船體和吊繩變形兩種情況下計(jì)算得到的中間吊點(diǎn)位置帶入有限元模型中計(jì)算，并分別提取這兩種分析中二、三級(jí)吊繩的軸力。在此，由于左右兩舷結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以只列出右舷吊繩的軸力結(jié)果。

可以看出，只采用一次最優(yōu)化求解得到的中間吊點(diǎn)用于有限元計(jì)算時(shí)，同一根吊繩中的軸力相差較大，最大相對(duì)誤差為12.613%。而采用最優(yōu)化方法與有限元迭代計(jì)算以后的中間吊點(diǎn)用于有限元計(jì)算時(shí)，同一根吊繩中的軸力基本相等，最大相對(duì)誤差為0.190%。這說明采用最優(yōu)化方法與有限元迭代優(yōu)化得到的中間吊點(diǎn)位置具有很高的精度。

7 結(jié)束語

文章對(duì)于船體的吊裝過程設(shè)計(jì)進(jìn)行了相應(yīng)的討論，并著重對(duì)有限元分析法過程進(jìn)行了闡述，通過對(duì)船體以及吊繩吊耳系統(tǒng)的計(jì)算過程的討論，著重分析了吊裝過程中怎樣對(duì)多級(jí)吊繩的中間吊點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。通過分析結(jié)論如下：

（1）當(dāng)船體的縱向尺寸過大，而另外兩方向的尺寸相對(duì)較小時(shí)，吊裝過程中多級(jí)吊裝的方式能夠有效的減小其結(jié)構(gòu)變形狀況，從而保證吊裝時(shí)受力情況的穩(wěn)定性。

（2）本文提出了一種計(jì)算多級(jí)吊繩中間吊點(diǎn)位置的新方法，該方法采用最優(yōu)化理論求解，并考慮了船體和吊繩變形對(duì)中間吊點(diǎn)位置求解的影響。該方法計(jì)算得到的中間吊點(diǎn)位置具有很高的精度；

（3）通過對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)受力狀態(tài)以及吊點(diǎn)位置進(jìn)行計(jì)算時(shí)，不能忽視吊繩以及船體的變形。文章通過綜合迭代方式進(jìn)行求解，能夠有效保證吊繩上受力均勻，從而保證吊裝時(shí)，吊繩強(qiáng)度、材質(zhì)選擇校核順利進(jìn)行。

（4）本文編制了船體吊裝中間吊點(diǎn)位置計(jì)算軟件，使得計(jì)算中間吊點(diǎn)位置的方法能夠方便地應(yīng)用于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)；

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