雙艉LNG船艉部搭載變形預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)分析

楊立志，劉 凱

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引 言

目前大型薄膜型液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）船多采用雙艉雙舵式結(jié)構(gòu)。為保證船舶在運(yùn)營(yíng)期間性能良好，確保軸系和舵系的安裝精度是船舶建造過(guò)程中質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。通常，安裝精度通過(guò)考察舵系中心線與軸系中心線的偏移量來(lái)判定，該偏移量對(duì)船舶的影響主要包括3個(gè)方面：

1) 偏移量大小直接影響鏜孔精度，當(dāng)偏移量過(guò)大時(shí)，可能導(dǎo)致鏜孔余量不足[1]。

2) 雙艉型船的特點(diǎn)是應(yīng)盡可能地避免左右2個(gè)軸系同向偏移，偏移量以左右舷同偏舷側(cè)或同偏船中為佳，否則對(duì)推進(jìn)效率有很大影響。

3) 某些雙艉LNG船為提高推進(jìn)效率，將軸舵系設(shè)計(jì)成與船體坐標(biāo)系存在夾角的形式，例如某型LNG船的軸系與x軸呈2.4°角，舵系與x軸呈3°角，這時(shí)要保證軸舵系中心線相交的精度就變得更加困難，對(duì)軸舵系安裝精度提出更高要求。

鑒于雙艉 LNG船的以上特點(diǎn)，以及軸舵系中心線的位置隨著船體結(jié)構(gòu)精度的變化而變化的情況，應(yīng)著重考慮控制艉部船體結(jié)構(gòu)變形，以便在船舶建造過(guò)程中設(shè)置相應(yīng)的反變形，保證軸舵系的安裝精度。在搭載階段，艉部船體結(jié)構(gòu)的變形是自重變形、塢墩受壓變形和焊接變形等3個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。對(duì)于主尺度相似、重量相近的船舶，塢墩受壓變形和焊接變形可由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，結(jié)果較為準(zhǔn)確；自重變形則需配合有限元等專(zhuān)用力學(xué)軟件進(jìn)行建模計(jì)算，預(yù)報(bào)結(jié)果。

本文以有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)艉部結(jié)構(gòu)搭載后至出塢前的變形情況進(jìn)行分析，以期得到較為準(zhǔn)確的艉部變形預(yù)報(bào)結(jié)果，為類(lèi)似船舶的實(shí)船建造提供指導(dǎo)和技術(shù)參考。

1 有限元計(jì)算預(yù)報(bào)

1.1 有限元建模

利用MSC.PATRAN軟件建立自艉封板至貨艙第一環(huán)段的船體有限元模型（見(jiàn)圖1）。模型中采用梁?jiǎn)卧M縱骨和T型材面板，采用板單元模擬其余結(jié)構(gòu)件。同時(shí)，根據(jù)力的等效原理，將部分在搭載階段安裝的設(shè)備的重量以質(zhì)量點(diǎn)的形式分配到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上[2]。外板圓管支撐采用梁?jiǎn)卧M。

此外，該模型既未考慮塢墩枕木變形，也未計(jì)入建造過(guò)程中腳手架、電焊焊劑、油漆及部分舾裝件的重量。

圖1 雙艉LNG船艉部結(jié)構(gòu)有限元模型

1.2 邊界條件和載荷

1.2.1 邊界條件和計(jì)算載荷

艉部區(qū)域塢墩多采用剛性塢墩，可大體上將其視為剛體進(jìn)行有限元分析，塢墩枕木的下沉將在后續(xù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)中得出，故在模型中對(duì)塢墩位置施加三向平動(dòng)約束，對(duì)圓管支撐底部施加六自由度全約束。由于在實(shí)際情況下船體是完整的，不會(huì)出現(xiàn)左右和前后的滑動(dòng)，故在模型艏端結(jié)構(gòu)施加x軸和y軸2個(gè)方向的平動(dòng)約束。

1.2.2 工況分析

該船艉部搭載后至出塢前的建造主要分為2個(gè)階段，即：艉部搭載完成至艉部外板支撐拆除；艉部外板支撐拆除至出塢。第一個(gè)階段導(dǎo)致船體下沉的因素有塢墩枕木變形、大焊接量變形和自重變形等3個(gè)；第二個(gè)階段導(dǎo)致船體下沉的因素有塢墩枕木變形和自重變形2個(gè)。這里僅研究自重變形， 2種工況下自重變形的邊界條件和載荷分布匯總見(jiàn)表1。

表1 2種工況下的自重變形的邊界條件和載荷分布匯總

1.3 計(jì)算結(jié)果

利用MSC. Nastran軟件計(jì)算得到2種工況下船體變形情況見(jiàn)圖2和圖3。對(duì)計(jì)算得到的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。由計(jì)算結(jié)果可知：自重變形以z軸下沉變形為主，下沉量在10mm左右；y軸和x軸基本上無(wú)變形。

圖2 工況1下船體變形情況

圖3 工況2下船體變形情況

表2 舵套筒及艉軸管中心點(diǎn)下沉變化量 單位：mm

2 塢墩枕木受壓變形與焊接變形的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累

2.1 塢墩枕木受壓變形經(jīng)驗(yàn)積累

根據(jù)以往多艘主尺度相近、重量相似的大型薄膜型 LNG船的建造經(jīng)驗(yàn)，塢墩枕木的受壓變形在建造過(guò)程中是不可避免的：對(duì)于較新的、使用小鋼墩的機(jī)艙與貨艙連接區(qū)域，枕木在拆除外板支撐之前的受壓變形為2～4mm，在拆除外板支撐之后變化3～5mm，總變形6～9mm；對(duì)于不使用小鋼墩的區(qū)域，枕木總變形在10～15mm。

2.2 焊接變形態(tài)勢(shì)分析與控制

討論焊接變形有2個(gè)目的：消除y軸不對(duì)稱(chēng)變形，避免左右不同步影響研究結(jié)果；得到z軸焊接變形量。這里以艉軸所在總段EBZ01為例進(jìn)行探討。EBZ01由7個(gè)分段組成，可采取總段搭載和散吊搭載2種建造方式，不同的建造方式會(huì)使船上的焊接量和焊接范圍不同，由此產(chǎn)生不同的變形結(jié)果[3]。

1) 總段搭載：EBZ01形成總段之后搭載下塢，僅剩艏端環(huán)縫和底部平對(duì)接縫需要焊接。艏端環(huán)縫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，熱釋放量小，x軸無(wú)變形。在保證焊接對(duì)稱(chēng)性的前提下，z軸因底部焊接量略大，會(huì)下沉3～5mm。

2) 散吊搭載：7個(gè)分段分別吊入船塢進(jìn)行搭載作業(yè)，因最末端AB02PS分段頂部的焊接量遠(yuǎn)大于底部，艉軸孔會(huì)產(chǎn)生7～8mm的上翹變形，而非下沉變形。

同理，當(dāng)舵系所在總段以總段形式搭載時(shí)，焊接量很少，無(wú)變形；出于安全性考慮，不允許采用散吊搭載的形式。

3 實(shí)船建造跟蹤測(cè)量并與預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比

3.1 實(shí)船建造跟蹤測(cè)量

精度管理部門(mén)對(duì)首制船進(jìn)行精度監(jiān)控，結(jié)果見(jiàn)表 3。監(jiān)控主要分為定位結(jié)束、拆鉤靜置、裝配過(guò)程、焊接過(guò)程和支撐拆除（即外板支撐拆除后）等5個(gè)階段[4]。表3中的數(shù)據(jù)是自重變形、焊接變形和塢墩枕木受壓變形等3個(gè)因素共同作用的結(jié)果。

該船艉部建造的精度控制和測(cè)量監(jiān)控遵循以下原則：

1) EBZ01總段是以總段形式搭載的；

2) 全站儀測(cè)量，排除溫差等影響因素，做好反射貼片等測(cè)量輔助工作；

3) 嚴(yán)控焊接對(duì)稱(chēng)性；

4) 在z軸方向，軸舵系均放置+5mm反變形，觀察效果；

5) 在x軸方向，艉軸有30mm鏜孔余量。

表3 軸舵系實(shí)測(cè)監(jiān)控結(jié)果 單位：mm

3.2 實(shí)測(cè)結(jié)果與預(yù)報(bào)結(jié)果的對(duì)比分析

結(jié)合表3，對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)果：

1) 第一階段，有限元計(jì)算z軸變形-1.3mm/-2.2mm（軸/舵，下同），經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)枕木受壓變形2～4mm（見(jiàn)“2.1”節(jié)），實(shí)測(cè)結(jié)果-6.6mm/-6.8mm為2個(gè)致變因素的累加，實(shí)測(cè)結(jié)果比經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)略大2mm，態(tài)勢(shì)相同。

2) 第二階段，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)z軸焊接變形-4mm/0mm（見(jiàn)“2.2”節(jié)），實(shí)測(cè)結(jié)果為-4.5mm/0mm，態(tài)勢(shì)相同。需特別說(shuō)明的是，x軸向艉變化-3mm/-1.2mm，這是鋼結(jié)構(gòu)下沉旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的，因?yàn)槿艉附幼冃斡绊憍軸，必然是焊接收縮正向變形，出現(xiàn)負(fù)向變形說(shuō)明焊接變形在x軸的影響十分微弱。

3）第三階段，有限元計(jì)算z軸變形-9.2mm/-8.7mm，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)枕木受壓變形3～5mm（見(jiàn)“2.1”節(jié)），實(shí)測(cè)結(jié)果-13mm/-11mm為2個(gè)致變因素的累加，數(shù)值相近，態(tài)勢(shì)相同。

綜上，大型薄膜型LNG船艉部在從搭載后至出塢前的全過(guò)程中，變形主要體現(xiàn)為z軸方向的下沉變形。整理后得到預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比見(jiàn)圖4～圖7，其中：圖4和圖5分別顯示軸孔、舵孔各階段單獨(dú)的變化量；圖6和圖7分別顯示軸孔、舵孔各階段累加之后的總變形量。

圖4 軸孔末端z軸下沉變形在各階段的變化量

圖5 舵孔z軸下沉變形在各階段的變化量

圖6 軸孔末端z軸各階段總下沉量

圖7 舵孔z軸各階段總下沉量

4 結(jié) 語(yǔ)

本文得到的預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的匹配度很高，這主要得益于較全面地考慮了3種艉部變形的影響因素。通過(guò)自重下沉有限元分析、塢墩枕木受壓變形和焊接變形經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)累積并將其與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)比，得到以下結(jié)論：

1) 定性結(jié)論。大型薄膜型LNG船艉部搭載后的主要變形為下沉變形，以此為誘因會(huì)帶動(dòng)艉軸產(chǎn)生一定的x軸負(fù)向變形。在良好地控制焊接順序之后，y軸方向幾乎不發(fā)生變形[5]。

2) 定量結(jié)論。z軸下沉變形經(jīng)過(guò)各階段的累積之后可達(dá)到-24.1mm/-17.9mm（軸/舵）。據(jù)此建議當(dāng)EBZ01以總段形式搭載時(shí)，放置+15mm的反變形量；當(dāng)EBZ01以散吊形式搭載時(shí)，放置+10mm的反變形量（如前文所述，AB02PS會(huì)因焊接而上翹，反變形應(yīng)少一些）[6]。

3) 預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值匹配良好，說(shuō)明本文所述的預(yù)報(bào)方法是有效的。預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性在根本上與所考慮影響因素的全面性和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接相關(guān)。本文的預(yù)報(bào)方法和預(yù)報(bào)結(jié)果可為同類(lèi)型船舶的建造提供參考。