基于分段吊裝工藝的有限元分析

芮曉松，刁海兵

(1.中航鼎衡造船有限公司，江蘇 江都 225217；2.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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基于分段吊裝工藝的有限元分析

芮曉松1，刁海兵2

(1.中航鼎衡造船有限公司，江蘇 江都 225217；2.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

基于有限元TSV仿真軟件建立15 000 DWT化學(xué)品船機(jī)艙241+242分段的弱框架結(jié)構(gòu)有限元模型，計(jì)算分析得到該分段在吊裝翻身過程中最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，但是Fr26處的變形最大，變形量達(dá)到3 050 mm。采用有限元分析方法得到機(jī)艙分段吊裝時(shí)的應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)變形后，所提出的分段吊裝改進(jìn)措施合理有效，并驗(yàn)證了提出的局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)吊裝方案的合理性、安全性。

分段吊裝；有限元計(jì)算；強(qiáng)度分析；吊裝變形

0 引言

由于全球經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代船舶工業(yè)已經(jīng)成為勞動(dòng)密集性、資本密集性、技術(shù)密集性和信息密集性的大型裝備制造業(yè)[1]。

當(dāng)前，現(xiàn)代造船普通采用分段建造工藝，分段的吊運(yùn)和翻身已成為船體建造中的一個(gè)重要工序。但是，吊裝事故頻繁發(fā)生，在船舶建造事故中占較大比重，因而加快對(duì)吊裝工藝的設(shè)計(jì)研究已刻不容緩。船體分段的吊裝方案需要綜合考慮分段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、外形尺寸、重量、重心位置，以及起吊設(shè)備的起吊能力、起吊場地、吊碼布置及主副鉤和卸扣的選擇等因素[2]。船舶機(jī)艙及上建分段結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積和重量都較大，結(jié)構(gòu)外形多變，而起吊位置處的結(jié)構(gòu)又相對(duì)較弱，剛性不足；這些分段還需要安裝大量的舾裝件，使得重量及重心的估算不精準(zhǔn)，容易造成結(jié)構(gòu)塑性變形，發(fā)生分段墜落等事故。如何保證分段的起吊安全，是分段吊裝需要著重解決的問題。

近年來,許多學(xué)者對(duì)船舶機(jī)艙及上建分段的整體吊裝技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。例如，黃興群等[3]應(yīng)用有限元技術(shù)對(duì)外高橋船廠的108 000 DWT油輪的5層上層建筑進(jìn)行應(yīng)力變形分析并改進(jìn)上層建筑分段的完整性吊裝工藝；陸振輝等[4]憑借多年來的工作經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)研究分析有關(guān)化學(xué)品船的上層建筑完整性吊裝，最終攻克由于化學(xué)品船的上層建筑鋼板薄、跨度大等原因造成的上層建筑整體吊裝工藝難點(diǎn)；吳仲其等[5]對(duì)分段重心進(jìn)行計(jì)算并論證吊環(huán)的布置位置，研究設(shè)計(jì)出1套高效的船舶吊裝翻身工藝方案；龔慶德等[6]針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)艙底層單元吊裝過程的不足，提出該分段的吊裝工藝改進(jìn)方案，使得吊裝過程中的變形問題得到解決。

通過有限元仿真建模分析的方法來優(yōu)化吊裝處結(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱部位的變形從而消除起吊過程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)塑性變形、板筋撕裂、分段姿態(tài)失控等事故，是最常使用的船舶分段吊裝方案研究途徑。本文使用有限元分析TSV(TechnoStar Venus，TSV)軟件對(duì)15 000 DWT化學(xué)品船機(jī)艙241+242分段進(jìn)行吊裝仿真，并對(duì)吊裝過程的薄弱部位提出合理的吊裝方案，以提高吊裝安全性。

1 分段有限元模型構(gòu)建及計(jì)算

1.1 有限元模型

有限元模型使用TSV軟件完成。建立有限元模型所依據(jù)的圖紙為15 000 DWT化學(xué)品船機(jī)艙241+242分段,其板厚分布圖如圖1所示。分段板厚分布于6～15 mm，弱框架大平板結(jié)構(gòu)主要集中在6～10 mm區(qū)間范圍內(nèi)。

1.2 具體吊裝設(shè)置

吊耳根據(jù)所起重的重量、重心位置和起吊設(shè)備相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。為保證起吊過程中預(yù)組分段整體受力平衡，確保吊耳能承受的力集中在主要圍壁板、桁材及其他強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞，防止薄弱部位變形[8]。吊裝吊點(diǎn)布置如圖2所示。

1.3有限元計(jì)算載荷分析

本分段在吊裝前主要受到的載荷來自于船體分

段及舾裝件的自重，對(duì)于起吊時(shí)的加速度和風(fēng)力等其他因素引起的載荷不作考慮，即僅考慮重力的影響。慣性載荷?。篴z=g=9.8 m/s2，其余方向?yàn)?。起吊時(shí)考慮沖擊載荷的影響，在型深方向取az=1.1g=10.78 m/s2，其余方向?yàn)?。TSV軟件中吊點(diǎn)布置圖如圖3所示。

1.4 計(jì)算結(jié)果分析

分段材料采用A級(jí)鋼，其參數(shù)為：最大許用拉應(yīng)力188 MPa，最大許用剪應(yīng)力112.8 MPa。

圖1 分段板厚分布圖

圖2 分段吊點(diǎn)布置圖

圖3 TSV軟件中吊點(diǎn)布置圖

從圖4可以看出，該分段在整個(gè)翻身過程中最大拉應(yīng)力為147 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度188 MPa，因此可以認(rèn)為該分段在翻身搭載過程中拉應(yīng)力方面安全。

從圖5可以看出，該煙囪分段在整個(gè)搭載過程中最大剪應(yīng)力為74 MPa，小于材料的最大許用剪切強(qiáng)度112.8 MPa，因此可以認(rèn)為該分段在翻身過程中剪應(yīng)力方面安全。

從圖6可以看出，分段Fr26在整個(gè)翻身過程中最大變形量為3 050 mm，超出規(guī)范關(guān)于“變形量為分段總長的1/800”的要求，因此可以認(rèn)為該分段在翻身過程中Fr26處變形較大。因?yàn)镕r26處下沿為自由邊，無任何約束，但是由于此分段區(qū)域其拉應(yīng)力小于其屈服強(qiáng)度，因此可認(rèn)為該部分會(huì)發(fā)生彈性變形，在吊裝結(jié)束后會(huì)發(fā)生回彈現(xiàn)象，但仍建議在其下沿進(jìn)行加強(qiáng)。

圖4 TSV分析結(jié)果—拉應(yīng)力部分

圖5 TSV分析結(jié)果—剪應(yīng)力部分

圖6 TSV分析結(jié)果—變形部分

2 吊裝方案改進(jìn)

2.1 吊裝加強(qiáng)材料使用

在分段吊裝過程中，通過采用增加加強(qiáng)材的方法保證分段吊裝過程中不產(chǎn)生船體結(jié)構(gòu)變形情況。為了增加剛性，減少吊裝過程中彎矩對(duì)橫向變形的影響，該分段吊裝時(shí)在Fr26、Fr32處采用H型鋼和圓鋼進(jìn)行加強(qiáng)，在Fr11處對(duì)吊點(diǎn)位置大開口自由端加強(qiáng)；Fr18處對(duì)吊點(diǎn)位置大開孔艙壁加強(qiáng)，增加上端部的剛度，減少吊裝剪切力變形。

2.2 有限元分析

圖7～圖8為在TSV軟件中的吊裝分段加強(qiáng)。

從圖8看出，分段在整個(gè)翻身過程中最大變形從3 050 mm降到260 mm，而且位置并不在Fr26處。Fr26處的變形變?yōu)?60 mm，因此可以認(rèn)為該分段在翻身過程中Fr26處變形大大減小。

圖7 TSV中結(jié)構(gòu)加強(qiáng)圖

圖8 TSV分析結(jié)果—變形部分(加強(qiáng)后)

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)15 000 DWT化學(xué)品船機(jī)艙241+242分段吊裝案例的分析，成功進(jìn)行了弱框架分段的吊裝。利用TSV軟件進(jìn)行有限元仿真計(jì)算的方法，可以更直觀地對(duì)分段吊裝過程中各種變形及變力情況進(jìn)行有效分析，對(duì)后續(xù)船分段的吊裝具有實(shí)用和借鑒意義。

(2)通過增加加強(qiáng)材改進(jìn)分段吊裝方案后，分段在整個(gè)翻身過程中最大變形由原來的3 050 mm降到260 mm，其中Fr26處的變形量降幅最大。

(3)基于有限元仿真技術(shù)的分段吊裝，使吊裝工藝更科學(xué)、安全，縮短了建造時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，向智能化生產(chǎn)的方向邁進(jìn)了一步。

[1] 白璐.船舶分段吊裝方案自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2013：5-10.

[2] 王先德,羅宇,鐘志平.基于有限元分析的船舶分段吊裝定位焊布置設(shè)計(jì)[J].造船技術(shù),2016(1):23-25.

[3] 黃興群.上層建筑完整性整體吊裝工藝研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2006：13-18.

[4] 陸振輝.船舶上層建筑完整性吊裝探索[C]//中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì).2012年中國鋼結(jié)構(gòu)大會(huì)論文集.北京：中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)：2012:239-243.

[5] 吳仲其.船體分段吊裝工藝[J].江蘇船舶，1990，7(2):19-22.

[6] 龔慶德.機(jī)艙底層大型單元的吊裝工藝優(yōu)化[J].廣東造船，2010(3)：44-46.

[7] 張小名.船舶分段吊裝方案自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法研究及程序開發(fā)[D].大連：大連理工大學(xué),2014：8-11.

[8] 張宏玲.船體分段吊裝工藝研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2010：18-21.

2016-11-10

江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(BA2016145)

芮曉松(1978—)，男，高級(jí)工程師，主要從事船舶技術(shù)管理工作；刁海兵(1992—)，男，碩士研究生，主要從事船舶輪機(jī)設(shè)備及系統(tǒng)的先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造。

U661.43

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