船舶浮態(tài)下改裝工程大開孔變形控制分析

邵 亮，李路遙

(鎮(zhèn)江市交通運輸綜合行政執(zhí)法支隊，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

船舶結(jié)構(gòu)在改裝時需要開設(shè)較大的工藝孔以便施工需要，其結(jié)果會導(dǎo)致船體變形和強度降低。在船塢中船舶進(jìn)行改裝施工可有效減少改裝引起的變形和強度問題，但出于對經(jīng)濟(jì)和時間成本的考慮，船東和船廠并不希望改裝船舶長期占塢施工。

在船舶漂浮狀態(tài)下進(jìn)行改裝作業(yè)可有效節(jié)省進(jìn)塢成本，但船舶空載時一般處于中拱狀態(tài)；對船舶改裝會產(chǎn)生不利影響。在甲板上開設(shè)大的工藝孔會大幅降低船體的總縱強度，受力嚴(yán)重時會導(dǎo)致船體的結(jié)構(gòu)破壞。如果變形量較大更會影響改裝過程中的結(jié)構(gòu)安裝精度，產(chǎn)生不同程度大小的內(nèi)應(yīng)力。因此，在改裝過程中的內(nèi)應(yīng)力應(yīng)予以充分的考慮[1]，以免影響船舶的整體強度，給將來的運營留下安全隱患。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對船體大開孔情況的有限元分析計算確有研究，但船舶在浮態(tài)下進(jìn)行改裝開孔的研究甚少。本文以某改裝油船為研究對象，對其進(jìn)行有限元建模，在船舶浮態(tài)下對船體大開孔情況進(jìn)行了分析，通過對船舶固定位置進(jìn)行壓載計算得出了有效的控制變形方法。

1 工程實例

某10.5萬載重噸改裝油船主要參數(shù)為：總長243.5 m，型寬42 m，型深21.3 m,設(shè)計吃水13.6 m，貨艙區(qū)域長度173 m，現(xiàn)空船狀態(tài)下全船重量約為18 960 t，船體甲板區(qū)域材質(zhì)為屈服強度315 MPa的高強鋼；該船在漂浮狀態(tài)下實測艏吃水0.3 m，艉吃水5.5 m，貨艙區(qū)域中縱剖面中拱變形82 mm。

根據(jù)現(xiàn)場改裝施工需要，該船貨艙區(qū)域甲板左右舷均需開設(shè)20 m×11 m的工藝孔，見圖1。圖中，P為左舷，S為右舷。開孔作業(yè)時可能出現(xiàn)的最危險工況為全部工藝孔開設(shè)完成，且沒有加強。施工要求如下：

圖1 甲板工藝孔

(1)強度安全系數(shù)不小于2.0，即應(yīng)力不超過157.5 MPa。

(2)船體貨艙區(qū)域中拱變形不超過貨艙區(qū)域總長度的5‰，即為86.5 mm。

由于開設(shè)的工藝孔較大，原船強度受到較大破壞，僅依靠施工經(jīng)驗和簡單計算不能確保施工安全，因此需要借助有限元軟件對施工過程進(jìn)行計算并評估分析，以制定安全可行的施工方案。

2 有限元計算

使用船舶專用有限元軟件SESAM/GeniE建立該船有限元模型，根據(jù)實際狀態(tài)進(jìn)行加載。模型邊界條件設(shè)定參考《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》[2]第2篇3.3.4的規(guī)定。模型邊界約束示意圖見圖2。船底平板龍骨在船尾節(jié)點1處沿橫向的線位移約束，即δy=0；船首節(jié)點2處，沿縱向、橫向和垂向的線位移約束，即δx=δy=δz=0。艉封板水平桁材距中縱剖面距離相等的左(節(jié)點3)、右(節(jié)點4)各1節(jié)點處，沿垂向的線位移約束，即δz=0。模型重量重心按照實船進(jìn)行調(diào)整。外部水壓按照艏艉吃水進(jìn)行面載荷加載，見圖3。

1～4—節(jié)點。圖2 模型邊界約束示意圖

圖3 船體吃水加載

計算結(jié)果顯示，中縱剖面中拱變形為85.9 mm(見表1、圖4，與實際變形值相差約5%)。中拱狀態(tài)下船體中部吃水因變形影響比模型加載吃水小，有限元計算的變形計算結(jié)果會比實際大，此計算結(jié)果與實際狀態(tài)基本相符。以此有限元模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行開設(shè)工藝孔的施工校核。

表1 初始浮態(tài)下貨艙區(qū)域變形

去除工藝孔的重量為683 t，占整船重量的3.6%，吃水變化很小，模型中忽略不計，吃水按初始狀態(tài)加載。計算結(jié)果顯示：開孔后角隅處最大應(yīng)力為156.1 MPa(見圖5)，不超過允許值；最大變形為99.5 mm(見表2、圖6)，超過允許值。

13 971、32 408、34 550、36 554、38 652、40 723、44 095、101 641—節(jié)點。圖4 初始浮態(tài)下船舶垂向位移

表2 無壓載開設(shè)工藝孔后的變形

13 971、31 335、33 290、35 107、37 018、39 050、

要防止貨艙區(qū)域變形過大，需對開孔作業(yè)進(jìn)行分析設(shè)計。為降低變形量，在現(xiàn)有條件下有以下2種途徑可選擇：

(1)對開孔區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強。

(2)貨艙區(qū)域加壓載水以減小中拱變形量。

在開孔處進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強成本較高，并且要大幅降低變形，加強結(jié)構(gòu)會較多。加壓載水可顯著降低成本，具有明顯優(yōu)勢。

選擇變形最大的區(qū)域(貨艙2號艙、3號艙)進(jìn)行壓載，此區(qū)域雙層底壓載艙可裝載壓載水約3 500 t。依據(jù)船上裝載儀數(shù)據(jù)顯示，打入壓載水后船舶艉吃水約6.2 m，艏吃水約0.5 m。

按照上述吃水和壓載進(jìn)行計算，結(jié)果顯示中拱變形降為77.1 mm(見表3、圖7、圖8)，開孔角隅處最大應(yīng)力為144.7 MPa。變形及強度均可滿足現(xiàn)場要求，在壓載艙裝載壓載水減小變形的方案可行。

表3 船體壓載后開設(shè)工藝孔貨艙區(qū)域的變形

13 971、31 335、33 290、35 107、37 018、39 050、

圖8 船體壓載后開孔的應(yīng)力結(jié)果

實際作業(yè)中，利用分布在貨艙區(qū)域甲板上的激光經(jīng)緯儀，實時監(jiān)測貨艙區(qū)域中拱變形量。經(jīng)現(xiàn)場作業(yè)測量，開孔后貨艙區(qū)域?qū)嶋H變形量為73 mm，改裝作業(yè)順利進(jìn)行。

3 結(jié)論

(1)利用有限元計算對開設(shè)大工藝孔進(jìn)行計算分析，結(jié)合現(xiàn)場條件，制定安全、經(jīng)濟(jì)、有效的方案，確保了改裝施工的順利進(jìn)行。

(2)有限元計算在船舶設(shè)計階段使用較為普遍。船舶改裝施工中可能出現(xiàn)的情況復(fù)雜多變，利用有限元計算解決施工中可能出現(xiàn)的問題同樣切實有效，方法可行。

(3)本文以某改裝油船構(gòu)建模型，通過對船體大開孔部分的有限元分析結(jié)合船舶壓載狀態(tài)得到了較為實用的控制方法。