基于有限元分析的船舶整體吊裝對軸系的影響研究

王公利　陽志為

摘要：船舶下水是船舶建造過程中的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，對于船舶建造而言，確保下水節(jié)點(diǎn)，將為最終的船舶交付節(jié)點(diǎn)提供一個(gè)有力保障。在下水方式的選擇上，不同船廠根據(jù)不同的資源配置、船舶類型、成本等因素會選擇不同工藝方案。本文就某型交通船的吊裝下水方案進(jìn)行了理論計(jì)算，特別針對軸系部分進(jìn)行了受力分析，并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，結(jié)合船廠的實(shí)際資源配置，最終完成船舶的順利下水，保障了節(jié)點(diǎn)及整個(gè)船舶推進(jìn)系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：船舶;吊裝下水;有限元分析

0 ?引言

船舶的下水節(jié)點(diǎn)為船舶建造的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，選擇何種下水方式需要結(jié)合船廠的現(xiàn)有資源，在保證安全的情況，選擇施工成本低的下水方式。面對目前國內(nèi)外嚴(yán)峻的造船形勢，成本控制至關(guān)重要[1，2]。在承建國內(nèi)某船東建造的雙機(jī)雙槳軸系推進(jìn)的油田交通船項(xiàng)目過程中，結(jié)合公司的船塢資源，確定采用船舶整體吊裝下水方案。鑒于整體吊重過程中，船舶將會出現(xiàn)不同程度的變形，進(jìn)而有可能導(dǎo)致軸系變形，從而影響船舶整體性能。為了避免類似風(fēng)險(xiǎn)的存在，在整體吊裝之前，通過對船舶整體結(jié)構(gòu)及艉軸管的有限元分析，進(jìn)而獲得船舶整體及軸系受力情況，確保在吊裝過程中，船舶變形可控且不會對軸系造成影響。

1 ?船舶簡介及船型分析

該型船舶為一艘設(shè)計(jì)為雙機(jī)雙槳，中速柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的國際航行的，用于油田員工倒班用和裝載少量物品（物品裝載量不超過36t）的交通運(yùn)輸船。本船設(shè)計(jì)為帶球鼻艏的傾斜艏柱和艏樓，方尾，配襟翼舵和導(dǎo)管可調(diào)螺旋槳，考慮人員舒適性，配備一對減搖鰭。主要參數(shù)詳見表1，船舶推進(jìn)系統(tǒng)由主機(jī)、螺旋槳軸、中間軸、液壓聯(lián)軸節(jié)、艉軸管、中間軸承、可調(diào)螺旋槳等組成。軸通過法蘭式聯(lián)軸器與主機(jī)曲軸法蘭互相連接，液壓式連軸節(jié)能在不拆開法蘭連接的情況下脫開艉軸，軸的材質(zhì)為鍛鋼制，同時(shí)配一套滑環(huán)式軸系接地裝置，以連接至船體并配有監(jiān)測系統(tǒng)。艉軸管安裝兩道軸承—前軸承和后軸承。前、后軸承為合成塑料材料，水潤滑冷卻。螺旋槳軸可以向船外抽出。因此在船舶整體吊裝過程中，由于船體結(jié)構(gòu)變形和受力情況的改變，會對軸系及其輔助系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響。因此在吊裝過程中需要對整套船舶推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行合理的受力分析，特別是艉軸與前、后軸承，前、后軸承與艉軸管之間的相關(guān)受力情況進(jìn)行重點(diǎn)分析。

對于整體吊裝方案，基于安全因素，擬采用1600t浮吊整體吊裝下水，同時(shí)對于對全船重量及重心位置進(jìn)行計(jì)算，合理分布吊裝眼板及相應(yīng)的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。在基于上述方案的基礎(chǔ)上，通過建模對整體吊裝方案進(jìn)行合理的有限元計(jì)算。

吊裝方案：①確定吊裝重心：根據(jù)船體、舾裝、管系和輪機(jī)（主要設(shè)備）重量總計(jì)為715T，加放焊材重量、腳手架及輔助電氣設(shè)備等重量，預(yù)估吊裝重量為800T，同時(shí)根據(jù)全船結(jié)構(gòu)分布和設(shè)備布置圖，估算船體、舾裝和輪機(jī)重心位于X=FR39+111的位置。②確定吊耳位置：根據(jù)船舶重心位置，采用對稱吊耳布置的方式，左右舷均布共計(jì)16個(gè)吊裝重型吊耳。③鋼絲繩選用：吊裝過程中各段受力不同，其選用的鋼絲繩不同，本方案分別選用直徑為90mm、130mm、156mm的鋼絲繩環(huán)。④在吊裝作業(yè)前，檢查相關(guān)人員的職業(yè)技能證書，所有相關(guān)操作人員應(yīng)持證上崗，并按照上述工藝方案的要求執(zhí)行、同時(shí)對所有參與吊裝作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底工作，其中對于吊裝工藝方法、設(shè)備、構(gòu)件的規(guī)格、質(zhì)量及擺放位置、安裝位置進(jìn)行確定。⑤吊裝作業(yè)過程中需緩慢起吊、當(dāng)起重機(jī)具受力時(shí)要對受力機(jī)具進(jìn)行檢查、以防鋼絲繩與船體結(jié)構(gòu)及吊索具之間出現(xiàn)相互干涉的情況。⑥檢查確認(rèn)無誤后開始正式起吊，在起吊過程中需要嚴(yán)格按章操作，由一人統(tǒng)一進(jìn)行指揮。當(dāng)船舶脫離胎架3-5cm處，停止起升，對于軸系及吊裝吊耳處其相關(guān)區(qū)域進(jìn)行密切監(jiān)控。觀察是否出現(xiàn)肉眼可見變形，如有則需對局部進(jìn)行加強(qiáng)處理。如沒有，靜置5-10分鐘后，則可以繼續(xù)進(jìn)行起吊，直至吊裝到位。

2 ?有限元計(jì)算

2.1 載荷

2.1.1 結(jié)構(gòu)自重

該型油田平臺交通船預(yù)估吊裝重量約800t，其中結(jié)構(gòu)自重約520t其余重量為機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備、管路及腳手架等鋼材。在有限元程序中，結(jié)構(gòu)單元的自重以及一些分布較均勻的設(shè)備載荷以線密度和面密度的形式表示（考慮到每個(gè)分段重量相差較大，采用密度表示時(shí)應(yīng)根據(jù)每個(gè)分段情況調(diào)整），上建分段由于結(jié)構(gòu)重量較小，本計(jì)算采用均布力的形式施加在艏樓甲板相應(yīng)范圍內(nèi)。對于一些重量較大且集中的設(shè)備如主機(jī)和舵設(shè)備等，采用集中力的形式施加在相應(yīng)位置節(jié)點(diǎn)上。

2.1.2 外力

整個(gè)模型受到外力重力加速度g的作用。

2.1.3 約束

整個(gè)船的模型受到吊耳與浮吊吊鉤相連，并通過固定船寬度方向船尾兩側(cè)，確保船體不受側(cè)向力的作用。

2.2 許用應(yīng)力

計(jì)算許用相當(dāng)應(yīng)力為188N/mm，許用剪應(yīng)力為112N/mm。

2.3 計(jì)算模型

考慮的全船結(jié)構(gòu)左右基本對稱，建模時(shí)采用半寬模型，模型垂向范圍為船體艏樓甲板至船底板，模型縱向?yàn)榇w總長。船體板材和型材等構(gòu)件模型處理方法如下[3～4]：

甲板板、外板板、內(nèi)底板、艙壁板等板材采用4節(jié)點(diǎn)板殼單元模擬，在過渡區(qū)域采用少量三角形單元;甲板、內(nèi)底板、船底外板、舷側(cè)外板、艙壁等板材上的縱骨、扶強(qiáng)材等采用梁單元模擬，并考慮偏心的影響;縱桁、強(qiáng)橫梁等主要構(gòu)件的面板和加強(qiáng)筋采用桿單元模擬;艙壁上的水平桁材等高腹板采用4節(jié)點(diǎn)板單元模擬。

2.3.1 網(wǎng)格劃分

沿船體橫向按縱骨間距劃分，縱向每檔肋距劃分1個(gè)單元格;舷側(cè)外板、甲板板垂向按縱骨間距劃分，縱向每檔肋距劃分1個(gè)單元格;安裝吊耳的位置單元格采用細(xì)網(wǎng)格劃分。

2.3.2 材料參數(shù)

鋼材：彈性模量E=2.06e5MPa;Poisson比v=0.3;重量密度p=7.85e-9t/mm3。

2.3.3 有限元模型建立

基于上述網(wǎng)格劃分對主船體分段建立了有限元分析模型（圖1）。其中艏樓甲板采用均布載荷;主機(jī)、舵、漿采用集中應(yīng)力分布。

2.4 計(jì)算結(jié)果（圖2、圖3）

3 ?理論計(jì)算結(jié)果分析

由上述有限元計(jì)算結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，船舶艉軸處的受力情況，其最大變形量主要出現(xiàn)艉管與美人架焊接處，最大變形量為1.5mm（圖2），根據(jù)船舶建造規(guī)范及軸系相關(guān)安裝要求，其變形量在允許范圍內(nèi)，因此對于該吊裝方案不會對船舶軸系的整體性能造成影響。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)船體最大變形量則出現(xiàn)在艏樓甲板處，其變形量為8mm，吊裝處局部變形應(yīng)力為62N/mm，剪切力為33N/mm，其變形應(yīng)力和剪切力符合也符合相關(guān)規(guī)范要求。根據(jù)整體受力情況可以發(fā)現(xiàn)吊裝耳板和艏樓位置的受力及變形較大，為了確保安全，同時(shí)盡可能的避免船舶整體吊裝對于船舶造成變形，以減少后期火工校正的工作量，針對分析結(jié)果，對整體吊裝方案進(jìn)行優(yōu)化：①考慮到吊裝耳板位置為受力區(qū)域，因此在安裝吊環(huán)處甲板下對位進(jìn)行局部加強(qiáng)，加強(qiáng)板應(yīng)與相鄰縱向構(gòu)件焊接，加強(qiáng)板厚度20mm，并在吊耳位置甲板下采用無縫鋼管與船底相連，通過該方式將應(yīng)力進(jìn)行傳遞，以減少局部受力情況。②上建艏樓甲板處增加臨時(shí)支撐，控制上建區(qū)域的橫向變形，從而進(jìn)一步縮小上建區(qū)域的變形?？刂破渥冃瘟吭?-5mm范圍內(nèi)。

4 ?結(jié)語

通過上述優(yōu)化方案，可以發(fā)現(xiàn)該整體吊裝方案符合船舶建造標(biāo)準(zhǔn)，變形量控制在可接受范圍內(nèi)，船舶實(shí)際變形量與有限元分析結(jié)果基本保持一致，特別是軸系安裝部分，并未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形超差的情況，同時(shí)在后續(xù)的軸系頂升試驗(yàn)及試航過程中，船舶軸系經(jīng)受住了考驗(yàn)，航速及軸承溫度均滿足制造廠的設(shè)計(jì)要求。因此在資源和方案有限的情況下，可以通過整體吊裝的方式來確保船舶建造進(jìn)度，同時(shí)也充分驗(yàn)證了該整體吊裝方案對軸系的影響是非常微小的。

通過該系列船的順利完成了試航和交船工作?？梢猿浞肿C明，在充分分析船舶實(shí)際吊裝重心的基礎(chǔ)上，在確定具體的吊耳和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)布置之后，可以通過合理建模，通過有限元分析方式獲得船舶的各區(qū)域的實(shí)際受力方式，從而驗(yàn)證吊耳布置和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的合理性，同時(shí)也可以大大降低，整體吊裝給船舶造成的變形影響。今后可以將此項(xiàng)低成本、低消耗、高效率、高可靠性的技術(shù)在中小型船舶下水工程中進(jìn)行廣泛應(yīng)用。面對日益嚴(yán)重的市場競爭環(huán)境，通過改革創(chuàng)新、降本增效，將大大增強(qiáng)企業(yè)的競爭力。

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