基于船舶設(shè)計軟件SPD的桁架結(jié)構(gòu)工裝

李淑俊，張 磊，鄧國輝，劉員春

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 511462）

0 引言

隨著海工市場的不斷發(fā)展，海工產(chǎn)品越來越多樣化，鋪管船托管架、大型起重機(jī)吊臂擱架和桁架式樁腿、直升機(jī)平臺等管桁架結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。

當(dāng)桁架結(jié)構(gòu)中存在椎體框架和圓臺式框架等不規(guī)則的管桁架結(jié)構(gòu)時，在定位桁架結(jié)構(gòu)主弦管之后，現(xiàn)場無法給出斜撐管（特別是偏心斜撐管）劃線定位數(shù)據(jù)，只能按管材下料相貫口形狀進(jìn)行試裝，無法保證定位的準(zhǔn)確性，且無法給出對外報驗的安裝數(shù)據(jù)；當(dāng)多管相貫于1個節(jié)點時，更無法保證管與管之間焊接的間隙和裝配距離，會給現(xiàn)場施工和檢驗帶來極大的困擾。

1 鋼管桁架結(jié)構(gòu)制作難點和研究目標(biāo)

在制作鋼管桁架結(jié)構(gòu)過程中，對KTY節(jié)點管材進(jìn)行定位、安裝和檢驗一直是一項難題。KTY節(jié)點分為以下2種情況：

1) 兩管或多管相貫，軸線相交，各支管參照主管同一個平面為基準(zhǔn)面，支管相貫接頭的兩段用樣沖在0°、90°、180°和270°的位置作標(biāo)志，用于安裝定位，但現(xiàn)場無法在主管材外表面直接檢驗定位的正確性，尤其是三管軸線不在同一平面的情況更是難以進(jìn)行定位檢驗（見圖1）。

2) 兩管或多管相貫，軸線不相交，各支管參照主管同一個平面為基準(zhǔn)面，現(xiàn)場無法用樣沖給出4個角度定位點，無法精確定位，且無法在主管材外表面直觀進(jìn)行定位檢驗（見圖2）。

圖2 管相貫但軸線不共面情況示意

本文以鋪管船常用的托管架結(jié)構(gòu)為例，采用SPD軟件對桁架結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行精確建模，研發(fā)一種KTY節(jié)點支管快速定位安裝的工裝，將無法直接測量曲面弧長的管子相貫口四角度定位點轉(zhuǎn)化為可直接測量的平面點，提高支管定位的準(zhǔn)確性和快速性，以及檢驗工作的可操作性和便捷性，提高施工的效率和質(zhì)量，減少工作量，縮短吊機(jī)工作時長。

2 典型鋪管船托管架桁架結(jié)構(gòu)

鋪管起重船的托管系統(tǒng)為固定式托管架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，主體一般采用鋼管桁架結(jié)構(gòu)，包含2節(jié)托管架和1個A字架。以中船黃埔文沖船舶有限公司在建的某型鋪管船托管架結(jié)構(gòu)為例，托管架總長約為79.2m，第一節(jié)長43.6m，第二節(jié)長35.6m。

第一節(jié)托管架為倒三角形式，首尾上下弦面的高度均為7.0m，上弦面首端跨距為15.5m，尾端跨距為7.0m。上弦桿與橫聯(lián)桿和斜聯(lián)桿連接相貫是管軸線相交共面形式，可給出管外表面定位點坐標(biāo)；下弦桿與斜腹桿連接相貫是管軸線不相交形式，無法給出管外表面弧線定位尺寸，現(xiàn)場無法直接定位；上弦桿與斜腹桿連接相貫是管軸線相交共面形式，因上弦面首尾端跨距不同，導(dǎo)致無法直接給出管外表面弧線定位尺寸，且施工圖僅給出各斜腹桿端節(jié)點與下弦桿的理論尺寸，現(xiàn)場無法據(jù)此給出斜腹桿定位點和檢驗尺寸。

第二節(jié)托管架也為倒三角形式，首端上下弦面高度均為7.0m，尾端上下弦面高度均為5.0m。上弦面首尾端跨距均為7.0m，上弦桿與橫聯(lián)桿和斜聯(lián)桿連接相貫是管軸線相交共面形式，可給出管外表面定位點坐標(biāo)；下弦桿與斜腹桿連接相貫是管軸線不相交形式，無法給出管外表面弧線定位尺寸，現(xiàn)場無法直接定位；上弦桿與斜腹桿連接相貫是管軸線相交共面形式，但因首尾端上下弦面跨距不同，導(dǎo)致無法直接給出管外表面弧線定位尺寸，現(xiàn)場施工無法直接定位安裝和檢驗。

具體結(jié)構(gòu)形式尺寸和三維模型見圖3。

圖3 托管架結(jié)構(gòu)形式尺寸和三維模型

綜上所述，此類型管桁架結(jié)構(gòu)制作存在以下3個難點：

1) 管桁架KTY節(jié)點的生產(chǎn)設(shè)計很難給出桿外皮曲面弧線定位點，相貫口定位點的生產(chǎn)設(shè)計難度大，設(shè)計耗時長，且給出的定位數(shù)據(jù)可操作性差；

2) 現(xiàn)場無法按曲面弧長定位點進(jìn)行劃線打樣沖定位點，只能按相貫口的形式進(jìn)行磨合預(yù)裝，施工時間和施工難度很大，吊機(jī)使用時間長，效率低；

3) 制作完之后的管材定位的正確性無法直接測量檢驗，KTY管節(jié)點部分焊縫間距無法達(dá)到設(shè)計要求。

3 典型鋪管船托管架桁架結(jié)構(gòu)工裝設(shè)計方法和使用效果

針對KTY節(jié)點形式的托管架，為解決其定位、安裝和檢驗的施工可操作性和準(zhǔn)確性方面的問題，通過對SPD桁架進(jìn)行精確建模，研究設(shè)計一種管材安裝工裝，將無法測量的空間曲面弧線轉(zhuǎn)換為空間坐標(biāo)系中可測量的直線定位點，以滿足現(xiàn)場施工的需求。設(shè)計思路為先采用KTY節(jié)點工裝對管桁架KTY節(jié)點曲弧面進(jìn)行定位，再對平面板架的工裝進(jìn)行定位和檢驗。

3.1 SPD軟件桁架建模

當(dāng)前，越來越多的船舶設(shè)計部門和造船廠家開始設(shè)計生產(chǎn)海洋工程和鋼結(jié)構(gòu)工程方面的產(chǎn)品。與船舶產(chǎn)品相比，海洋工程和鋼結(jié)構(gòu)工程產(chǎn)品中除了有板架結(jié)構(gòu)以外，還有桁架結(jié)構(gòu)。桁架結(jié)構(gòu)主要是由桿件連接而成的結(jié)構(gòu)。桁架建模功能模塊在SPD 船體系統(tǒng)中與平面板架、曲面板架和肘板等3類結(jié)構(gòu)的建模功能模塊并列，為第4類結(jié)構(gòu)的建模功能模塊[1]。

桁架建模通過桁架節(jié)點定義、坐標(biāo)定義節(jié)點、已知點定義節(jié)點、桿件定義節(jié)點、兩點連線定義節(jié)點、直桿定義、曲桿定義和組合工字桿件定義等方式對桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確建模[2]。特別是針對KTY節(jié)點中多管軸線不共面的情況，可通過節(jié)點的軸向偏移或端部空間坐標(biāo)三軸向的偏移來實現(xiàn)此類型節(jié)點的精確建模（見圖4）[3]。

圖4 SPD桁架建模桿件定義和精確建模

3.2 SPD軟件平面板架管子工裝設(shè)計和建模

管桁架精確建模完成之后，導(dǎo)出DXF模型，采用CAD三維建模軟件計算出工裝空間斜板架各定位面的空間坐標(biāo)點，通過SPD平面板架設(shè)計管桁架KTY節(jié)點工字型工裝，采用與支管相截的帶曲線邊的平面板架將管桁架節(jié)點相貫口空間曲面之間的定位點轉(zhuǎn)化為工裝平面板架之間的定位點[4]，具體工裝的三維模型見圖5。

圖5 管桁架節(jié)點安裝和檢驗工裝三維模型

KTY節(jié)點工裝的設(shè)計應(yīng)注意以下4點：

1) 工裝鋼板材質(zhì)盡量選取管桁架焊評中能覆蓋且焊接性良好的鋼材等級；

2) 工裝平面板架建模時注意板材的理論面朝向，避免朝向錯誤造成短尺[5]；

3) 工裝平面板架建模和套料均采用絕對尺寸，不允許加放余量；

4) 工裝平面板架與管材相切的圓弧線長度設(shè)計要合理，既能滿足管材裝配定位時的限位要求，又能保證工裝安裝之后不阻礙管材定位，必要時可進(jìn)行三維模型模擬安裝。

3.3 管桁架工裝使用效果

在安裝管桁架之前，先對各管KTY節(jié)點工裝進(jìn)行組裝，并按工裝節(jié)點制作圖尺寸進(jìn)行合格性檢驗；在定位好上下主弦桿之后，按工裝安裝圖將節(jié)點工裝組件焊接在主弦管上，并進(jìn)行工裝安裝尺寸校核檢驗，合格之后再進(jìn)行各支管的吊裝、定位裝配和焊接?，F(xiàn)場使用工裝可快速對支管進(jìn)行旋轉(zhuǎn)定位，無需浪費太多時間進(jìn)行相貫口磨合裝配。此外，使用工裝可保證各主管之間定位尺寸的正確性。通過支管上下工裝的卡位，可對管材進(jìn)行固定，兼作焊接卡碼使用。在進(jìn)行管桁架焊后裝配尺寸檢驗時，僅需再次校核和檢驗工裝的尺寸即可，可大大縮短檢驗時間，提高檢驗合格率。表1為每根支管使用工裝前后定位安裝和檢驗所需工時對比；表2為管桁架KTY節(jié)點使用工裝前后現(xiàn)場施工對比；表3為管桁架KTY節(jié)點使用工裝前后生產(chǎn)設(shè)計工時對比。

表1 每根支管使用工裝前后定位安裝和檢驗所需工時對比

表2 管桁架KTY節(jié)點使用工裝前后現(xiàn)場施工對比

由表1可知：每根支管定位安裝和檢驗共節(jié)省工時42.4h，吊機(jī)節(jié)省工時7h；托管架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)共有120根支管，定位安裝和檢驗總計節(jié)省工時約5088h，吊機(jī)節(jié)省總工時840h。由表2可知，通過應(yīng)用工裝，管桁架施工吊裝時間縮短，裝配定位精準(zhǔn)、迅速，焊縫間距達(dá)標(biāo)，檢驗簡單直觀，現(xiàn)場施工的便捷性、效率和質(zhì)量得到進(jìn)一步提高。由表3可知，管桁架生產(chǎn)設(shè)計建模和出圖節(jié)省工時約168h，設(shè)計難度大大降低，圖紙質(zhì)量得到提升，更能滿足現(xiàn)場施工的使用要求。

表3 管桁架使用工裝前后KTY節(jié)點生產(chǎn)設(shè)計工時對比

通過對現(xiàn)場工裝使用前后的施工效率和成本進(jìn)行對比，可明顯地看出管桁架節(jié)點工裝使用之后帶來的施工效率提高和成本節(jié)約效用，為管桁架結(jié)構(gòu)制作開辟了新的方式。

4 結(jié) 語

本文對管桁架結(jié)構(gòu)管材快速定位安裝和檢驗工裝進(jìn)行了研究和設(shè)計，針對現(xiàn)場施工實際和管桁架結(jié)構(gòu)的特點，通過應(yīng)用KTY管節(jié)點安裝工裝，將復(fù)雜的桁架結(jié)構(gòu)裝配簡單化，使得生產(chǎn)設(shè)計施工圖更具施工可操作性，解決了管桁架KTY節(jié)點安裝的難題，提高了施工效率和產(chǎn)品合格率，節(jié)約了成本。

隨著海洋工程船和海洋平臺得到大力發(fā)展，管桁架KTY節(jié)點安裝工裝將不僅限于在鋪管船的托架中應(yīng)用，可應(yīng)用到桁架式樁腿和大型起重機(jī)擱架等多種管桁架結(jié)構(gòu)中，具有重要的推廣意義和應(yīng)用價值。