借助船舶設計軟件破解尾軸吊裝難題

中國船級社 上海外高橋造船海洋工程設計有限公司

隨著船舶大型化，尾軸的尺寸和重量也在不斷增加，目前我國自制的18000TEU集裝箱船尾軸重達90余噸。如何將如此大的尾軸安全吊裝到船上，是船舶建造遇到的一個新難題。

常規(guī)的解決思路是提高吊裝能力，但尾軸吊裝有其特殊性，吊裝時要借助船上的軸系行車，而配套的軸系行車的起吊能力是有限的，增大其起吊能力勢必會增加船舶建造成本。同時，隨著尾軸的增大，在龍門吊與軸系行車接替的關(guān)鍵節(jié)點，操作危險性顯著增加。如何才能預判風險，科學選型，找到安全有效的吊裝方案？能否從設計入手，借助船舶設計軟件的功能尋找突破口呢？

船舶設計軟件

目前國內(nèi)各大船廠普遍使用的船舶設計軟件有瑞典KCS公司的TRIBON、美國PTC公司的CADDS、芬蘭Napa Oy公司的NAPA和西班牙Sener公司的FORAND等。TRIBON以其卓越的性能成為眾多設計軟件中的經(jīng)典，被廣泛使用。該軟件使用計算機建立船舶的生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)，通過計算機建立一個實船模型，不僅完成繪制生產(chǎn)用圖紙，還能進行各種數(shù)據(jù)的計算、管理和統(tǒng)計。這些生產(chǎn)信息用于指導生產(chǎn)，從而實現(xiàn)設計和生產(chǎn)的統(tǒng)一。我們通過TRIBON軟件的Structure模塊來模擬尾軸吊裝過程，探尋超大尾軸吊裝的解決方案。

TRIBON的形狀模塊（Drafting）和鐵舾裝件模塊（Structure）都可以較為逼真地模擬出船上設備或一般舾裝件的外形，滿足從形狀演示到過程模擬的需求。利用Structure模塊建立的實體模型除了體現(xiàn)外形，還能包含模擬對象的物質(zhì)材料所對應的密度信息。外形和密度結(jié)合起來，就可以得出實體的重量和重心分布。這是Structure模塊特有的功能，而這正是模擬尾軸吊裝過程所需要的。

尾軸吊裝過程

大型船舶的尾軸一般重達數(shù)十噸，通常通過龍門吊將其從船塢旁場地升起并吊運至塢內(nèi)機艙。為了保持吊運過程中尾軸的平衡，一般使用兩條吊繩，其固定部位分別靠近尾軸的錐端和法蘭端。吊繩與軸的接觸位置不宜位于錐端或前后軸承接觸面，以防吊繩松脫，或刮傷滑動摩擦表面。因此，靠近錐端的吊繩位于中間段接近后軸承段的部位，而靠近法蘭端的吊繩位于前軸承段與法蘭之間。

當龍門吊吊起尾軸下降至機艙內(nèi)，持續(xù)向機艙尾部平移時，龍門吊的吊繩會碰到機艙尾部甲板邊緣。在此之前龍門吊與機艙內(nèi)的軸系行車必須做好交接，將兩條吊繩逐步從龍門吊轉(zhuǎn)移到軸系行車上去。

圖1

圖2

首先，較靠船尾的軸系行車會連接到近錐端的吊繩，并承擔重量。當龍門吊的吊鉤從該處吊繩脫開后，尾軸開始向后移動（見圖1）。

當尾軸向船尾行進至近法蘭端的吊繩靠近上方甲板邊緣時，較靠船首的軸系行車連接到吊繩并承擔重量。隨后龍門吊脫鉤，至此龍門吊與尾軸完全脫離，尾軸的吊運由船上的軸系行車完全接替，起吊設備接替作業(yè)結(jié)束（見圖2）。

三維建模和計算

三維建模主要包含建立尾軸模型和關(guān)鍵過程節(jié)點演示兩方面內(nèi)容。前者是基礎，后者是目的。進而針對具體的演示情景，做出基本的受力計算，為吊裝方案的安全性和可行性論證提供較為可靠的定量分析手段。以某型18000TEU集裝箱船尾軸為例，對上述步驟做詳細說明。

1、建立尾軸模型

由圖1～2可見，尾軸不是均勻的圓柱體。其與前、后軸承接觸的滑動摩擦部位較粗，其余部位較細，此外還有端部、錐端、過渡段、法蘭等，總體形狀較復雜。而Structure模塊不能建立包括錐端、過渡段等變直徑的形狀要素，因此可以將變直徑體用以其平均直徑為直徑的圓柱體代替，從而實現(xiàn)采用若干個不同直徑的圓柱體的組合來模擬尾軸。尾軸法蘭上還有若干個螺栓孔，我們在模型實體中作挖空處理。當模型建立完畢，Structure可以自動計算出重量并給出重心坐標（見圖3）。

軟件給出的重量是91.985t，設備圖紙給出的理論重量是91.644t，兩者相差不到0.4%，相符度是令人滿意的。據(jù)此得出的重心G位置也應是可信的?？紤]到實際吊裝時尾軸端部要安裝一段假軸，法蘭端附近要套上前密封裝置，因此總重量可按97t計。

2、演示和計算

當重量和重心以及吊繩在尾軸上的作用位置確定了，吊繩和起吊設備的受力狀況就能夠確定。對照起吊設備的額定載荷，就可以分析出當前起吊方案的安全性。

首先按慣例位置布置近錐端和近法蘭端兩根吊繩（見圖4）。并假定龍門吊和軸系單軌吊的吊鉤位置不變。

從另一方面來看，公司的治理結(jié)構(gòu)對我國社會經(jīng)濟的整體發(fā)展有著非常直接的影響。同時，社會經(jīng)濟的發(fā)展對現(xiàn)代化企業(yè)的建設也具有很大的影響，二者之間是相輔相成的?，F(xiàn)代化的企業(yè)組織管理可分為內(nèi)部治理機構(gòu)和外部治理機構(gòu)。據(jù)多項實際研究表明，無論是針對內(nèi)部治理結(jié)構(gòu)，還是外部治理結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定且健全的會計監(jiān)督體系都有其存在的必要性，會計監(jiān)督體系的確立也是確?，F(xiàn)代化企業(yè)能夠持續(xù)穩(wěn)步向前的重要因素。

圖3

圖4

兩根吊繩的拉力分別為F1和F2，到重心G的距離分別為L1和L2。

因此有：（1）L1=1772；L2=7026；根據(jù)受力平衡合力矩平衡，又有：(2)F1+F2=97；（3）F1×L1=F2×L2；

通過計算可以得出F1=77.5t；F2=19.5t。

從上可看出，兩根吊繩上的負荷是很不均衡的。F1遠大于F2，原因在于L1遠小于L2。離重心越近，負荷越大。因此我們主要校核F1的安全性。

而配套的軸系行車額定載荷SWL=60t＜77.5t。由此推斷，不能用一臺軸系行車在F1吊繩處接替龍門吊。

3、可能的解決方案

a）將軸系行車的額定載荷大幅提高，并考慮到充分的安全裕度，比如提高至90t；b）用2臺軸系行車共同承擔F1處吊繩的負荷（行車總數(shù)增至3臺）；c）沿軸向移動吊繩位置，重新調(diào)整吊繩的負荷分配。

對于a方案，從了解到的國內(nèi)船舶配套業(yè)內(nèi)情況看，單軌行車的規(guī)格一般在50t以內(nèi)。本船定購的60t已屬超大，規(guī)格再提高不僅要考慮配套廠的技術(shù)能力因素，更要考慮成本上的影響。因此，該方案暫不考慮。

因此有：2F1a×Cos48°=77.5t，計算可得F1a=57.8t小于60t，安全。因為這是基于偏于苛刻的簡化，所以實際受力還會更小一點。因此實際上是可行的。

對于c方案，又有如下幾種操作：

①近法蘭端的吊繩位置不變，近錐端的吊繩位于后軸承接觸面上某點（也有可能該點不存在）；②近錐端的吊繩位置不變，近法蘭端的吊繩移到前軸承接觸面上或更靠近重心的位置；③近錐端的吊繩移動到后軸承接觸面上某合適點，近法蘭端的吊繩移到前軸承接觸面上或更靠近重心的位置。

上述①～③涉及的定位問題都可通過與前述（1）～（3）相似的計算解決。

通過挖掘TRIBON軟件Struc-ture模塊的功能，在計算機中建立尾軸的三維實體模型，模擬尾軸吊裝過程并進行受力分析和計算，不僅可以校核按慣例布置的吊點方案的安全性，而且可以提出新的安全的吊裝方案。具體采用哪一種，可由設計人員和安裝人員進行溝通交流，通過綜合考慮技術(shù)能力、工藝慣例和實際的環(huán)境條件等因素來決定。

基于TRIBON軟件的Structure模塊而建立的模型能夠比較精確地確定尾軸的重心，為后續(xù)一系列的計算、校核和方案論證提供基礎，吊裝方案的選擇從傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗轉(zhuǎn)變?yōu)榛跀?shù)據(jù)，從定性分析提升為定量分析，有助于把生產(chǎn)安全做扎實。尤其在當前重視、普及JSA（Job Safety Analysis）的形勢下，提前發(fā)現(xiàn)安全隱患并準備好預案、提供決策支持，顯得尤為重要。

自上世紀九十年代，信息技術(shù)和船舶軟件的大量應用，使我國船舶設計和生產(chǎn)水平有了大幅度提高，我國船舶工業(yè)能夠快速與國際接軌，參與到國際競爭中。但我們應清醒地看到當前設計還沒有很好地與生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)管理有機結(jié)合起來，船舶設計自頂向下的全過程集成尚未實現(xiàn)，這或許是今后船舶信息化進程中需要重點關(guān)注的地方。