薄壁圓筒結(jié)構(gòu)特性及吊裝方法

鄭素青， 林文平， 許周喆

(青島北海船舶重工有限責(zé)任公司，山東 青島 266520)

0 引 言

在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)上，越來越多地采用橫截面為圓管形的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如干艙中的支柱、船舶艏部的錨鏈艙、海工FPSO單點(diǎn)艙采用圓筒結(jié)構(gòu)。

在公司承接的某FPSO工程項(xiàng)目上，艏部轉(zhuǎn)塔區(qū)域的單點(diǎn)艙采用圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計，其圓筒直徑為18.5 m，筒壁在最薄處的壁厚為20.0 mm，壁厚相對于直徑為一個小量，可認(rèn)為其為薄壁圓筒結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)為單點(diǎn)艙殼體結(jié)構(gòu)，單點(diǎn)艙設(shè)備為廠商供貨產(chǎn)品，殼體結(jié)構(gòu)為公司加工產(chǎn)品，由于機(jī)械設(shè)備操作和使用的要求，對圓筒殼體結(jié)構(gòu)的建造精度要求較高。

國內(nèi)船廠對工程結(jié)構(gòu)的吊裝多采用吊點(diǎn)或吊排進(jìn)行作業(yè)，對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)多采用傳統(tǒng)吊排進(jìn)行作業(yè)，這些傳統(tǒng)吊排多為一字形結(jié)構(gòu)設(shè)計。在圓筒結(jié)構(gòu)吊裝方案中，采用傳統(tǒng)吊排無法合理布置吊點(diǎn)，且吊點(diǎn)數(shù)目有限，容易導(dǎo)致圓筒結(jié)構(gòu)在吊裝過程中發(fā)生變形，無法保證結(jié)構(gòu)部件的合龍建造精度。

1 薄壁圓筒結(jié)構(gòu)的定義及優(yōu)點(diǎn)

1.1 薄壁圓筒結(jié)構(gòu)的定義

在彈塑性力學(xué)中，板被認(rèn)為是一種抗彎扭的結(jié)構(gòu)單元。厚度很小的薄膜，其抗彎扭的能力很低，可認(rèn)為其抗彎剛度等于零，而橫向外載荷由軸向力和中面剪力承擔(dān)。在板的厚度足夠大時，其內(nèi)部任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)與三維物體類似，難以采用較多的簡化措施，因此厚板分析更為復(fù)雜。薄板具有中等厚度，可進(jìn)行簡化，通常認(rèn)為滿足如下條件[1]即可：

(1)

在公司的某FPSO項(xiàng)目中，單點(diǎn)艙所采用的圓筒直徑有2種規(guī)格：18.5 m和17.0 m，對應(yīng)的典型板厚分別為20.0 mm和5.0 mm。通常在筒體壁厚與其外徑之比小于1∶20時，被認(rèn)為是薄壁圓筒[2]。參照式(1)，計算可得該項(xiàng)目的2種圓筒均可被認(rèn)為是薄板；由于其橫截面為圓管形，且筒形部件高度為2 550.0 mm，因此認(rèn)定其為薄壁圓筒。

1.2 圓筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

在工程實(shí)踐中，采用大圓筒結(jié)構(gòu)時，具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)主要受徑向力，所受彎曲應(yīng)力較小，在各方向上受力均勻，受力條件較好；(2)工程造價低，結(jié)構(gòu)用量省且材料在強(qiáng)度角度可得到充分利用；(3)便于工程回轉(zhuǎn)機(jī)械的安裝使用[3]。

由于其力學(xué)特性和幾何特性的優(yōu)點(diǎn)，薄壁圓筒結(jié)構(gòu)在機(jī)械產(chǎn)品中廣泛存在，在大型海工結(jié)構(gòu)上得到較好的應(yīng)用。

2 薄壁圓筒結(jié)構(gòu)在理想狀態(tài)下的垂向模態(tài)

薄壁圓筒結(jié)構(gòu)在徑向上的抗載荷能力和在圓筒方向的抗載荷能力差別較大，為最大限度地保證圓筒在吊裝作業(yè)時滿足建造精度要求，針對圓筒在自由條件下圓筒方向上的典型模態(tài)進(jìn)行分析。

圖1為薄壁圓筒結(jié)構(gòu)的典型模態(tài)。圖1中，(a)、(d)、(f)、(h)為薄壁圓筒上下端面變形不在同一平面內(nèi)的情況，(b)、(c)、(e)、(g)為薄壁圓筒上下端面變形相等。從布置吊點(diǎn)的角度出發(fā)，在吊點(diǎn)布置較少時可能出現(xiàn)模態(tài)1的變形情況，其為類似梁的變形，基本為2點(diǎn)吊裝情況，在實(shí)際工程實(shí)踐中為不可能出現(xiàn)的情況；在筒體豎直方向上布置夾持保型工裝時，根據(jù)吊點(diǎn)的不同，可能發(fā)生模態(tài)2、模態(tài)3、模態(tài)5和模態(tài)7的任一情況；在筒體豎直方向上不布置夾持保型工裝時，根據(jù)吊點(diǎn)的不同，可能發(fā)生模態(tài)4、模態(tài)6和模態(tài)8的任一情況。

圖1 薄壁圓筒結(jié)構(gòu)的典型模態(tài)

3 不同吊裝方案下的筒體結(jié)構(gòu)

為改善筒體結(jié)構(gòu)在龍門吊吊裝作業(yè)下的結(jié)構(gòu)變形，保證筒體疊加后的安裝精度，采用傳統(tǒng)一字型吊排，雖然其吊點(diǎn)數(shù)量較少，且在筒體圓周方向上分布不均勻，有可能造成局部變形增大，但用固保型工裝加固，有可能改善筒體變形以滿足精度要求[4]。根據(jù)第2節(jié)的研究結(jié)果，利用薄壁圓筒在徑向和豎直方向的抗彎曲能力不同，對吊點(diǎn)進(jìn)行均分，可充分發(fā)揮圓筒在重力作用下徑向受力相等且相互抵消的特性，改善筒體變形。

針對上述條件和受力特性，吊裝方案的設(shè)計主要從2個角度出發(fā)：一是采用傳統(tǒng)吊排進(jìn)行吊點(diǎn)布置，在必要情況下進(jìn)行加強(qiáng)；二是利用圓筒結(jié)構(gòu)的固有特性，均勻布置工裝吊點(diǎn)。在FPSO工程項(xiàng)目中，選取直徑D為18.5 m、板厚t為20.0 mm、高度H為2 550.0 mm的圓筒作為研究對象。

3.1 采用傳統(tǒng)吊排布置吊點(diǎn)的方案

根據(jù)已有工裝，設(shè)計不同吊裝方案并進(jìn)行分析。

方案1：利用船廠已有的龍門吊3個吊排，在薄壁圓筒結(jié)構(gòu)圓周3個位置上各布置2個吊點(diǎn)，考慮在結(jié)構(gòu)自身重力作用下的薄壁筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形響應(yīng)，如圖2所示。

圖2 薄壁圓筒結(jié)構(gòu)吊點(diǎn)布置方案1

圖3為重力作用下的薄壁筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形結(jié)果。

圖3 薄壁圓筒結(jié)構(gòu)吊點(diǎn)布置方案1計算結(jié)果

方案2：在方案1的基礎(chǔ)上，增加6個吊點(diǎn)，考慮在結(jié)構(gòu)自身重力作用下的薄壁筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形響應(yīng)，如圖4所示。

圖4 薄壁圓筒結(jié)構(gòu)吊點(diǎn)布置方案2

圖5為重力作用下的薄壁筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形結(jié)果。

圖5 薄壁圓筒結(jié)構(gòu)吊點(diǎn)布置方案2計算結(jié)果

方案3：在方案2的基礎(chǔ)上，增加上下2層保型工裝，考慮在結(jié)構(gòu)自身重力作用下的薄壁筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形響應(yīng)，如圖6所示。

圖6 薄壁圓筒結(jié)構(gòu)吊點(diǎn)布置方案3

圖7為重力作用下的薄壁筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形結(jié)果。

圖7 薄壁圓筒結(jié)構(gòu)吊點(diǎn)布置方案3計算結(jié)果

方案1～方案3計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

由表1可看出：(1)筒壁豎直方向上的抗剪面積導(dǎo)致剪切應(yīng)力普遍較小，影響方案優(yōu)劣的主要因素為von Mises等效應(yīng)力和筒體本身的變形；(2)對比方案1和方案2，使用傳統(tǒng)吊排在圓周上布置不均勻的吊點(diǎn)會造成局部應(yīng)力大幅增大，在吊點(diǎn)間距較大的位置產(chǎn)生較大變形；(3)對比方案2和方案3，增加內(nèi)部保型工裝會造成整體重量增大，在相對較大直徑的圓筒內(nèi)產(chǎn)生豎直向下的彎矩，導(dǎo)致應(yīng)力增加。

3.2 考慮多點(diǎn)均勻布置吊點(diǎn)的方案

根據(jù)第3.1節(jié)計算結(jié)果對比，多點(diǎn)均勻布置吊點(diǎn)的方案相對有利，因此采用在圓周上均勻布置12個吊點(diǎn)和16個吊點(diǎn)的方案(見圖8)進(jìn)行分析計算。

圖8 多點(diǎn)均勻布置吊點(diǎn)的方案

圖9為重力作用下的薄壁筒體結(jié)構(gòu)12點(diǎn)均勻布置吊點(diǎn)工況應(yīng)力和變形結(jié)果。圖10為重力作用下的薄壁筒體結(jié)構(gòu)16點(diǎn)均勻布置吊點(diǎn)工況應(yīng)力和變形結(jié)果。

圖9 薄壁筒體結(jié)構(gòu)12點(diǎn)均勻布置吊點(diǎn)工況計算結(jié)果

圖10 薄壁筒體結(jié)構(gòu)16點(diǎn)均勻布置吊點(diǎn)工況計算結(jié)果

薄壁筒體結(jié)構(gòu)12點(diǎn)和16點(diǎn)均勻布置吊點(diǎn)工況計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 12點(diǎn)和16點(diǎn)均勻布置吊點(diǎn)工況計算結(jié)果匯總

由表2可看出：在圓筒周邊均勻布置的吊點(diǎn)越多，其應(yīng)力和變形越小，越能滿足結(jié)構(gòu)精度要求。

3.3 吊點(diǎn)布置方案的確定

采用已有的傳統(tǒng)一字型吊排工裝，在圓筒周長上布置不等間距吊點(diǎn)會導(dǎo)致在圓周范圍內(nèi)受力不均，間距大的圓弧處應(yīng)力和變形會急劇增大，變形計算結(jié)果表明其不滿足建造精度要求。在圓筒內(nèi)部增加工裝在一定程度上可減少應(yīng)力和變形，但內(nèi)部工裝會增加豎直方向的重量，對應(yīng)力和變形形成額外增量。

在圓周方向上均勻布置多個等間距吊耳可大幅降低應(yīng)力和變形，其變形狀態(tài)趨近于第2節(jié)自由狀態(tài)下的模態(tài)，應(yīng)力值和變形值較小，滿足工程高精度使用要求。

在FPSO工程中，鑒于單點(diǎn)艙廠家對薄壁圓筒建造精度提出的嚴(yán)格要求，確定選取在圓筒周長上16點(diǎn)均勻布置吊點(diǎn)的設(shè)計方案。

4 吊點(diǎn)方案下的新型工裝設(shè)計

16點(diǎn)均勻布置吊點(diǎn)的設(shè)計方案需要進(jìn)行相應(yīng)的新型工裝設(shè)計。針對工程項(xiàng)目有2種直徑的圓筒，設(shè)計的吊裝工裝應(yīng)同時滿足2種規(guī)格的使用要求，吊點(diǎn)處的受力方向保持豎直方向，這樣可最大限度減少筒體的變形影響，因此需要在新型工裝上設(shè)計2圈吊點(diǎn)，如圖11所示。在內(nèi)圈布置16個吊點(diǎn)供直徑為17.0 m的圓筒吊裝使用，在輻射向外的外圈布置16個吊點(diǎn)供直徑為18.5 m的圓筒吊裝使用，這樣可滿足1個工裝完成1個項(xiàng)目的要求，最大限度節(jié)約建造成本。

圖11 新型工裝三維線框方案

為確定新型工裝中心圓的高度H對整個工裝設(shè)計的影響，結(jié)合實(shí)際吊裝作業(yè)情況，對高度H分別為2.0 m、2.5 m、3.0 m的應(yīng)力進(jìn)行估算，應(yīng)力結(jié)果如圖12所示。圖12的計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖12 不同高度下的新型工裝計算結(jié)果

表3 不同高度下的新型工裝計算結(jié)果匯總

由表3可看出：隨著高度H的增加，新型工裝的重量呈等差數(shù)列遞增，但從2.5 m到3.0 m，其應(yīng)力降幅并不明顯，從重量/應(yīng)力角度出發(fā)，建議新型工裝的高度設(shè)置為2.5 m。這一高度得到實(shí)際項(xiàng)目的采納。

5 結(jié) 論

以海洋工程常見的圓筒結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，立足于船廠的建造精度要求，對圓筒的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析，研究符合結(jié)構(gòu)特性的吊點(diǎn)布置方案和工裝設(shè)計方案，并在公司某FPSO工程項(xiàng)目中取得成功。圓筒結(jié)構(gòu)吊裝后的垂直度控制在3.0 mm內(nèi)，不圓度控制在8.0 mm內(nèi)，有效保證后續(xù)結(jié)構(gòu)的安裝精度和單點(diǎn)艙設(shè)備的使用。結(jié)論如下：

(1)薄壁圓筒的吊裝作業(yè)易造成筒體結(jié)構(gòu)變形，在對筒體結(jié)構(gòu)安裝精度要求較高的工程中，應(yīng)立足于其結(jié)構(gòu)固有特性制訂方案。

(2)在薄壁圓筒周長上均勻布置吊點(diǎn)相對于不等間距布置吊點(diǎn)，可大幅降低筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形。

(3)在薄壁圓筒周長上布置等間距吊點(diǎn)，應(yīng)力值和變形值隨吊點(diǎn)數(shù)量的增加而減小。

(4)新型工裝根據(jù)施工條件應(yīng)考慮工裝中心高度和整體重量的函數(shù)關(guān)系，通過對比建立函數(shù)關(guān)系趨勢分析，可確定工程方案使用的最佳高度。