基于TSV-BLS軟件客滾船機(jī)艙總段整體吊裝方案分析

翟高進(jìn) 盧蓉芝 張 開

（1.無錫市地方海事局 無錫214043； 2.江蘇省泰興中等專業(yè)學(xué)校 泰興225400；3.泰州口岸船舶有限公司 泰州225321）

引 言

46車/999客客滾船是泰州口岸船舶有限公司為海南海峽航運(yùn)股份有限公司建造的客滾船，該型客滾船總長127.5 m、兩柱間長122 m、型寬20.6 m、型深6.35 m、設(shè)計(jì)吃水4.35 m、載車量46輛，載客量999人，入級CCS船級社，航線為海口-海安。為提高造船效率、縮短造船周期，在建造過程中將機(jī)艙區(qū)域6個(gè)分段合并成1個(gè)總段后進(jìn)行吊裝，以達(dá)到縮短塢期的目的。

船體吊裝涉及到結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與重心計(jì)算、吊點(diǎn)的位置選取、吊碼的型號選擇以及船臺的起重能力等多方面，是一項(xiàng)非常復(fù)雜的造船工藝。因此在機(jī)艙總段吊裝前，需要對整體吊裝方案進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行必要的調(diào)整和優(yōu)化，確保吊裝工程安全［1］。

目前，船體結(jié)構(gòu)吊裝分析的主要方法有經(jīng)驗(yàn)法、總體分析法及有限元分析法［2-4］。46車/999客客滾船機(jī)艙總段的吊裝計(jì)算采用的是TSV-BLS船舶吊裝仿真軟件，應(yīng)用該軟件的TRIBON接口及網(wǎng)格劃分工具，可快速從TRIBON生產(chǎn)設(shè)計(jì)軟件生成的文件中導(dǎo)入船體結(jié)構(gòu)模型，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自動劃分。軟件可按照預(yù)定的吊裝方案進(jìn)行吊點(diǎn)、吊碼及吊排等起吊設(shè)置，通過軟件的三維仿真模塊模擬船體結(jié)構(gòu)的實(shí)際吊裝過程的翻身和平吊動作，自動計(jì)算和施加有限元模型的位移和力，從而獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形值?？梢酝ㄟ^TSV-BLS三維影像了解吊裝操作過程中分段的位置和姿態(tài)，方便檢測起吊作業(yè)中出現(xiàn)的不良現(xiàn)象，如鋼絲繩與結(jié)構(gòu)的干涉、鋼絲繩受力過大、吊碼受力過大、結(jié)構(gòu)應(yīng)力過大、結(jié)構(gòu)變形過大等。

1 機(jī)艙總段與吊碼布置

46車/999客客滾船的機(jī)艙總段EB1是由EB01P/S機(jī)艙雙層底分段、EG11P/S機(jī)艙甲板分段，以及AG02P/S尾部分段總組而成。EB1總段長15 900 mm、寬20 600 mm、高6 350 mm，EB1總段的質(zhì)量和重心數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 機(jī)艙總段吊裝基本信息表

由于在車輛甲板上Fr32-Fr34左舷附近有甲板大開孔，在設(shè)置吊碼時(shí)就應(yīng)避開開孔的位置，因此所布置的吊機(jī)主吊鉤中心與分段的重心不在同一肋位，其偏差值為1.25 m，而副鉤的中心關(guān)于模型的重心對稱。起重機(jī)的主吊鉤在甲板的左舷Fr27+412 mm處，主鉤與8個(gè)D40吊碼相連接，2個(gè)副吊鉤分別在右舷Fr23-40 mm和Fr35+160 mm兩處?？偠挝哺便^與4個(gè)D40吊碼相連接，總段首副鉤與4個(gè)D40吊碼相連接，初步吊碼設(shè)置方案如圖1-圖3所示，最終吊碼的規(guī)格和位置需根據(jù)計(jì)算結(jié)果來定。吊碼下方采用高200 mm、厚14 mm的扁鐵加強(qiáng)，扁鐵與吊碼兩側(cè)側(cè)板對齊。

圖1 EB1總段吊裝總布置圖

圖2 左舷吊碼

圖3 右舷吊碼

2 機(jī)艙總段有限元計(jì)算模型

2.1 TRIBON模型的導(dǎo)入

首先從TRIBON中導(dǎo)出包含船體結(jié)構(gòu)信息的XML文件，XML文件包含模型幾何信息、材料信息等；然后使用TSV-BLS導(dǎo)入TRIBON生成的XML文件，導(dǎo)入時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的策略優(yōu)化，如：

（1）對有限元計(jì)算無需考慮的原生產(chǎn)設(shè)計(jì)模型中構(gòu)件的流水孔、透氣孔以及型材貫穿孔的去除，如圖4所示。

圖4 貫穿孔去除前后對比

（2）去除原模型中生產(chǎn)設(shè)計(jì)的板縫（原理為當(dāng)A板與B板相交，在A板上有一個(gè)板縫接近交線，如果兩線距離小于調(diào)整值，將板縫線移動到交線的位置），如圖5所示。

（3）刪除原生產(chǎn)設(shè)計(jì)模型中重復(fù)的構(gòu)件以及離散的結(jié)構(gòu)。

圖5 板縫調(diào)整前后對比

2.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)中國船級社《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》［5］中有限元的規(guī)定，本文中有限元模型主要考慮承載結(jié)構(gòu)件，如甲板板、圍壁板、橫梁、縱骨、縱桁、關(guān)鍵部位的肘板等，對于非關(guān)鍵區(qū)域的肘板等小構(gòu)件未考慮。根據(jù)規(guī)定，本文中選用網(wǎng)格大小為200 mm×200 mm。

TSV-BLS軟件自帶網(wǎng)格劃分模塊（Mesher），可實(shí)現(xiàn)三角形網(wǎng)格（Tri 3）以及四邊形網(wǎng)格（Quad 4）的劃分，借助網(wǎng)格修改模塊（Mesh manual）可對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化；

（1）首先TSV-BLS軟件進(jìn)行三角形網(wǎng)格的自動劃分，根據(jù)輸入的網(wǎng)格大小，完成節(jié)點(diǎn)的建立、網(wǎng)格的劃分、劃分完成后軟件檢測網(wǎng)格的質(zhì)量，顯示出網(wǎng)格不重合的部分，對于不重合的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格通過修改模塊（Mesh manual）可對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不重合的地方顯示紫色，重合的節(jié)點(diǎn)顯示綠色，如圖6-圖7所示。

圖6 不重合的單元

圖7 節(jié)點(diǎn)修改前后對比

（2）TSV-BLS軟件進(jìn)行四邊形網(wǎng)格的自動劃分；軟件根據(jù)已經(jīng)劃分的三角形網(wǎng)格進(jìn)行四邊形網(wǎng)格的劃分，進(jìn)一步提高網(wǎng)格質(zhì)量。

（3）TSV-BLS軟件將原構(gòu)件的材料屬性、板厚屬性復(fù)制到有限元模型的單元上完成有限元模型的建立，最終有限元模型如圖8所示。

圖8 機(jī)艙總段有限元模型

3 吊裝過程分析

3.1 起吊階段分析

本項(xiàng)目主要研究機(jī)艙總段在吊裝過程中，結(jié)構(gòu)受到自重的作用，通過計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形，以及鋼絲繩拉力大小，驗(yàn)證其是否滿足要求，根據(jù)起吊階段不同，可將整個(gè)起吊過程分為兩部分：

（1）上升階段

模型從離開地面開始，上升到指定高度這一過程，軟件在模擬總段運(yùn)動時(shí)，對其施加了一個(gè)加速度，因此其結(jié)構(gòu)力和變形比重力單獨(dú)產(chǎn)生的結(jié)果較大；

（2）平穩(wěn)階段

模型到達(dá)一定高度后，固定不動的階段，這個(gè)階段中模型只受到重力作用。

3.2 鋼絲繩和吊碼受力分析

在模擬總段運(yùn)動的過程中，鋼絲繩和吊碼的拉力隨時(shí)間變化，其值均可通過軟件實(shí)時(shí)顯示，方便了解鋼絲繩和吊碼的受力。

應(yīng)用TSV-BLS吊裝軟件模擬吊裝過程，計(jì)算在上升和平穩(wěn)階段鋼絲繩的拉力，主鉤鋼絲繩定義為L1-L8，尾副鉤為L9-L12、首副鉤為L13-L16，起吊過程中鋼絲繩最大受力數(shù)值如表2所示。

表2 鋼絲繩和吊碼受力值

從表2可知：上升階段鋼絲繩拉力值大于平穩(wěn)階段拉力值，上升階段大小為41.17 t，位置為首副鉤L15-L16吊碼。

3.3 吊碼方案調(diào)整

由于首副鉤鋼絲繩的最大拉力為41.17 t，超過D40吊碼的許用值40 t，因此，為確保吊裝安全，將首副鉤的吊碼類型全部由D40更換為D50。

4 吊裝結(jié)果分析

通過TSV-BLS軟件自帶的DYNAMIS求解器，計(jì)算吊裝過程中總段的最大應(yīng)力和最大變形，從而驗(yàn)證總段的應(yīng)力和變形是否滿足許可要求，對不滿足要求的位置進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)并重新計(jì)算，直到滿意為止。

4.1 變形分析

由于總段自身的重力作用，導(dǎo)致在其吊裝過程中吊碼和邊緣位置發(fā)生較大變形。首先，在上升階段，考慮到上升加速度的影響，其變形值較大，如圖9所示。

圖9 結(jié)構(gòu)變形（上升階段）

在平穩(wěn)階段，由于只受到重力影響，其變形值較小，如圖10所示。

圖10 結(jié)構(gòu)變形（平穩(wěn)階段）

由圖9-圖10可知，總段的最大變形出現(xiàn)在甲板面，結(jié)構(gòu)變形的最大值在上升階段為21.26 mm，而在平穩(wěn)階段為18.8 mm，且最大變形均發(fā)生在甲板面FR22處。

結(jié)合船廠的工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)在1 000 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)1～3 mm的變形，認(rèn)為整體吊裝是安全的，由此規(guī)定機(jī)艙總段吊裝的變形準(zhǔn)則為2/1 000。

機(jī)艙總段最大變形為21.26 mm，其所在結(jié)構(gòu)的總尺寸為20 600 mm，變形比例為1/1 000 ＜2/1 000。因此，判定結(jié)構(gòu)的變形滿足安全吊裝要求。

4.2 應(yīng)力分析

本部分分析EB1總段在吊裝階段的最大應(yīng)力，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)是否滿足其強(qiáng)度要求，是否需要加強(qiáng)。

圖11 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值（上升階段）

圖12 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值（上升階段）

由圖11-圖12可知：在上升階段，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生在總段左舷，主吊鉤下方FR29甲板橫梁上，材料為AH36級鋼，最大應(yīng)力值為157 MPa。由于AH36級鋼的屈服應(yīng)力為355 MPa，安全系數(shù)根據(jù)規(guī)定為1.4～1.7，現(xiàn)取安全系數(shù)為1.5，則其最大應(yīng)力安全許可值為237 MPa，總段最大應(yīng)力小于最大應(yīng)力許可值，因此，在上升階段，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力完全滿足要求，不需任何加強(qiáng)措施。

由圖13可知：平穩(wěn)階段最大應(yīng)力值為140.2 MPa，其完全滿足最大應(yīng)力安全許可值237 MPa。因此，在結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)階段，應(yīng)力完全滿足，不需要任何加強(qiáng)措施。

圖13 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值（平穩(wěn)階段）

在平穩(wěn)階段，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生的位置與上升階段一致，但是最大應(yīng)力比上升階段有所降低，由于上升階段存在一定的加速度，所以上升階段最大應(yīng)力值比平穩(wěn)階段大。

綜上所述，EB1總段結(jié)構(gòu)在吊裝過程中，因上升和平穩(wěn)階段最大應(yīng)力均在安全應(yīng)力范圍內(nèi)，不需額外加強(qiáng)措施，滿足起吊條件。

5 結(jié) 論

根據(jù)滿足要求的吊裝方案，泰州口岸船舶有限公司順利完成46車/999客客滾船機(jī)艙總段的吊裝。通過本文計(jì)算結(jié)果分析得到以下結(jié)論：

（1）TSV-BLS吊裝軟件可從Tribon生產(chǎn)設(shè)計(jì)中直接導(dǎo)入船體模型，實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)設(shè)計(jì)模型到有限元模型的轉(zhuǎn)換，極大節(jié)省了船體建模的工作量，模擬吊裝過程，并實(shí)現(xiàn)鋼絲繩拉力、結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力的計(jì)算，提高了總段吊裝分析的效率。

（2）在實(shí)際吊裝過程中，需要考慮因偏心的影響而使鋼絲繩和吊碼受力可能存在較大差別，必須根據(jù)實(shí)際情況，通過相應(yīng)計(jì)算選擇合適的吊碼。

（3）由于分段起吊過程中存在一定的上升加速度，考慮到吊裝的安全性，結(jié)構(gòu)許可應(yīng)力的安全系數(shù)一般取為1.5，結(jié)構(gòu)許可變形比例取為2/1 000，以確保吊裝安全。

（4）機(jī)艙總段的整體吊裝可有效提高搭載效率、縮短塢期，可為其他船型的建造提供借鑒。