大型VLCC上層建筑整體吊裝有限元分析

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(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212003；2. 廣州廣船國(guó)際股份有限公司,廣州 510000)

上層建筑整體吊裝方式使得上層建筑建造的很多工序可以在分段吊裝前提前進(jìn)行。這項(xiàng)工作不僅改善了施工環(huán)境還提高了上層建筑的預(yù)舾裝比例，同時(shí)也提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率、縮短了船舶的建造周期、降低了造船成本。

預(yù)舾裝程度的提高使得上層建筑整體分段的尺寸越來(lái)越大，重量越來(lái)越大，上層建筑的整體剛度已經(jīng)逐漸不能滿(mǎn)足吊裝過(guò)程的強(qiáng)度要求。因此，在增加預(yù)舾裝比例的同時(shí)，也要特別關(guān)注上層建筑在起吊過(guò)程中的應(yīng)力響應(yīng)和結(jié)構(gòu)變形，控制上層建筑在吊裝過(guò)程中的最大變形，保障上層建筑整體吊裝的順利進(jìn)行。張延昌等[1-5]利用有限元軟件MSC.Nastron對(duì)某型船舶上層建筑整體吊裝過(guò)程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果給出了有效的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。李永正等[6-8]根據(jù)上層建筑整體吊裝有限元數(shù)值模擬的特點(diǎn)，指出了當(dāng)前運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行上層建筑整體吊裝數(shù)值模擬時(shí)存在的問(wèn)題，并根據(jù)遞歸的思想提出了更加符合吊裝實(shí)際情況的邊界條件處理方法。本文以某大型VLCC上層建筑為例，利用有限元軟件MSC.Patran/Nastran軟件根據(jù)實(shí)際吊裝工況進(jìn)行整體吊裝強(qiáng)度有限元分析，并開(kāi)展結(jié)構(gòu)加強(qiáng)研究，保障上層建筑整體吊裝正常進(jìn)行。

1 VLCC上層建筑吊裝實(shí)例

1.1 上層建筑結(jié)構(gòu)形式

如圖1所示，本文選用的VLCC上層建筑前島共有八層，從上而下分別為：羅經(jīng)甲板及其下圍壁、橋樓甲板及其下圍壁、F甲板及其下圍壁、E甲板及其下圍壁、D甲板及其下圍壁、C甲板及其下圍壁、B甲板及其下圍壁、A甲板及其下圍壁，整個(gè)上層建前島總長(zhǎng)為16.15 m，寬為60.00 m、高為23.15 m。

1.2 材料及重量、重心分布

上層建筑各層甲板均采用橫骨架式，采用低碳鋼建造，材料參數(shù)為密度ρ=7 800 kg/m3、彈性模量E=210 GPa、泊松比μ=0.3。上層建筑進(jìn)行預(yù)舾裝后數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表1。

表1 上層建筑重量、重心表

1.3 上層建筑有限元模型

利用MSC.Patran軟件對(duì)該上層建筑建立三維有限元模型，見(jiàn)圖2。

有限元模型包括：FR40-FR54的羅經(jīng)甲板及其下圍壁結(jié)構(gòu)，F(xiàn)R37-FR54的橋樓甲板及其下圍壁結(jié)構(gòu)，F(xiàn)R35-FR54的F甲板及其下圍壁結(jié)構(gòu)，F(xiàn)R35-FR54的E甲板及其下圍壁結(jié)構(gòu)，F(xiàn)R35-FR54的D甲板及其下圍壁結(jié)構(gòu)，F(xiàn)R35-FR54的C甲板及其下圍壁結(jié)構(gòu)，F(xiàn)R35-FR54的B甲板及其下圍壁結(jié)構(gòu)，F(xiàn)R35-FR54的A甲板及其下圍壁結(jié)構(gòu)。各層甲板與其下圍壁采用板單元，各層甲板上的縱骨、橫梁與其下圍壁上的扶強(qiáng)材采用梁?jiǎn)卧?。將上層建筑劃分?9 628個(gè)單元、58 848個(gè)節(jié)點(diǎn)。吊排布置在C甲板及羅經(jīng)甲板左右兩邊圍壁處，其局部有限元模型見(jiàn)圖3。

圖1 上層建筑結(jié)構(gòu)

圖2 上層建筑有限元模型

圖3 C甲板吊牌有限元模型

1.4 吊裝方案

該上層建筑前島在FR40、FR41、FR43、FR44、FR47、FR48的C甲板上布置了12個(gè)吊碼，在RF51+425、FR52+425的橋樓甲板上布置4個(gè)吊碼。16個(gè)吊碼布置在C甲板(橋樓甲板)與其下圍壁相交處。圖4所示為吊裝方案布置的側(cè)視圖，分別用2臺(tái)600t龍門(mén)吊進(jìn)行聯(lián)合吊裝，共布置4組鋼絲繩進(jìn)行16個(gè)吊碼的起吊。

圖4 吊碼布置示意

1.5 有限元分析的坐標(biāo)系設(shè)置

坐標(biāo)系統(tǒng)采用右手坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)O位于主甲板船中FR35處，X軸由左舷指向右舷為正，Y軸沿著型深向上為正，Z軸為指向船艏方向?yàn)檎?/p>

1.6 計(jì)算工況、邊界條件及載荷

在上層建筑結(jié)構(gòu)吊裝過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)主要來(lái)自于起吊瞬間吊索的沖擊載荷。本文主要研究吊裝過(guò)程中的最大響應(yīng)及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，因此分析工況采用最危險(xiǎn)工況——吊裝過(guò)程中的強(qiáng)度分析。計(jì)算工況、載荷如下。

1)工況。吊裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

2)載荷。在上層建筑吊裝過(guò)程中考慮其沖擊載荷的影響，在型深方向?。篴=1.2g,其余方向?yàn)?。

3)邊界條件。每個(gè)吊孔取3個(gè)節(jié)點(diǎn)作為吊孔的受力點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算獲得這些吊點(diǎn)的支反力，用支反力替代Y向的約束。在有限元模型的重心位置處約束X向和Z向的位移。

1.7 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

上層建筑計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，計(jì)算得到的上層建筑應(yīng)力、位移云圖見(jiàn)圖5～6。

表2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形計(jì)算結(jié)果匯總表

圖5 上層建筑整體應(yīng)力分布云圖

圖6 上層建筑整體位移分布云圖

由表2可見(jiàn)，上層建筑吊裝過(guò)程中最大應(yīng)力為163 MPa，最大應(yīng)力在A圍壁Fr46與L-9處的門(mén)框底部。在上層建筑吊裝過(guò)程中A甲板的下圍壁處于懸空狀態(tài)，起吊時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生較大的變形和應(yīng)力。除此以外，B甲板的下圍壁最大應(yīng)力為138 MPa，位于圍壁艙門(mén)開(kāi)口處；C甲板上的最大應(yīng)力也達(dá)到了134 MPa，位于C甲板靠近吊排布置區(qū)域。上層建筑整體吊裝引起的位移偏大，會(huì)使得甲板板和平臺(tái)板上部分舾裝結(jié)構(gòu)損壞，甚至影響設(shè)備安裝。表2中也列出了上層建筑在吊裝過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變形，其中最大變形為15.4 mm，位置在E甲板左舷延伸甲板處。由于E甲板和D甲板左右舷兩側(cè)均有舷伸平臺(tái)，在起吊過(guò)程中由于平臺(tái)底下支撐結(jié)構(gòu)不夠強(qiáng)，造成該處的變形較大。為了有效的控制結(jié)構(gòu)變形，需要對(duì)上建結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)，降低吊裝引起的變形。

2 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案及計(jì)算結(jié)果

2.1 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案

1)由于A甲板下圍壁在吊裝過(guò)程中沒(méi)有任何加強(qiáng)，使得該處的變形和應(yīng)力均比較大。加強(qiáng)方案為：A甲板下圍壁輪機(jī)更衣室中的門(mén)做臨時(shí)封閉，并且在該艙室對(duì)角上加設(shè)一根角鋼，尺寸為L(zhǎng)250×90×12×16，見(jiàn)圖7。

圖7 A甲板加強(qiáng)效果

2)D、E甲板左右舷伸出平臺(tái)在吊裝過(guò)程中，由于沒(méi)有支撐，使得在吊裝過(guò)程中變形較大。加強(qiáng)方案為：D、E甲板左右舷伸出平臺(tái)各增加兩根角鋼作臨時(shí)加強(qiáng)，尺寸為L(zhǎng)250×90×12×16，如圖8。

圖8 D、E甲板加強(qiáng)效果

2.2 加強(qiáng)后的分析結(jié)果匯總

圖9 上層建筑整體應(yīng)力分布云圖

表3給出了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的最大應(yīng)力和變形的計(jì)算結(jié)果匯總。不難看出，通過(guò)加強(qiáng)后，各層甲板圍壁的應(yīng)力值均有所下降，尤其是A甲板及下圍壁的應(yīng)力值從163 MPa下降至138 MPa。這主要是由于臨時(shí)封閉了門(mén)窗，增加了A甲板下圍壁結(jié)構(gòu)在橫向和縱向的連續(xù)性，改善了區(qū)域的應(yīng)力集中。此外，加強(qiáng)方案對(duì)于變形的控制效果也非常明顯，采用加強(qiáng)方案2對(duì)D和E甲板左右舷伸出平臺(tái)板進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)后，有效控制了左右舷伸出平臺(tái)板的變形：結(jié)構(gòu)加強(qiáng)前D和E甲板左右舷伸出平臺(tái)板的最大變形值達(dá)到了15.1 mm和15.4 mm；局部加強(qiáng)后，變形值分別降成9.92 mm和9.69 mm。

表3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形計(jì)算結(jié)果匯總表

圖10 上層建筑整體位移分布云圖

3 結(jié)論

1)根據(jù)實(shí)際吊裝情況利用有限元技術(shù)對(duì)VLCC上層建筑吊裝進(jìn)行數(shù)值模擬，較真實(shí)地反映了實(shí)際吊裝過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

2)在計(jì)算過(guò)程中采用吊排支反力替代約束的加載方式更能反映實(shí)際吊裝過(guò)程中上建結(jié)構(gòu)以及吊排的真實(shí)受力情況。

3)通過(guò)對(duì)大型VLCC上層建筑整體吊裝有限元直接計(jì)算，得到了上層建筑整體結(jié)構(gòu)在加強(qiáng)前后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。并根據(jù)有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)上層建筑進(jìn)行了局部加強(qiáng)，有效地控制了吊裝引起的變形，保障了上層建筑整體吊裝的順利進(jìn)行。

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