基于數(shù)值仿真的大型薄甲板總段吊裝方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

魏 波， 步林鑫， 張莉莉， 王 樂(lè)

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913)

0 引 言

在船舶建造總段吊裝過(guò)程中，由于受到結(jié)構(gòu)自重和鋼絲繩拉力作用，船體結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變形和應(yīng)力集中現(xiàn)象，在嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)塑性變形甚至結(jié)構(gòu)破壞，從而為船舶安全生產(chǎn)帶來(lái)較大的風(fēng)險(xiǎn)[1]。

在產(chǎn)品總組階段，吊裝結(jié)構(gòu)多為大型總段，而多數(shù)總段吊裝甲板面出現(xiàn)厚度較小、自重較大的情況，統(tǒng)稱該類總段為大型薄甲板總段。該類總段吊裝甲板區(qū)域面積大且板厚薄，多為5.0～6.0 mm，總段質(zhì)量多在500 t以上，最大超過(guò)1 000 t。

基于上述較為極端的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)考慮盡可能增多吊碼數(shù)量，吊碼應(yīng)布置在構(gòu)件區(qū)域，有效傳遞吊碼所受拉力。由于大多數(shù)吊碼反面骨材規(guī)格較弱，在總段吊裝過(guò)程中難免產(chǎn)生各類風(fēng)險(xiǎn)。因此，考慮在總段吊裝前，建立大型薄甲板總段有限元模型，模擬吊裝過(guò)程，迭代優(yōu)化吊裝方案，保證總段吊裝安全順利實(shí)施。

1 數(shù)值仿真與優(yōu)化流程

數(shù)值仿真技術(shù)模擬總段吊裝過(guò)程，不僅可直觀地反映在總段吊裝過(guò)程中各構(gòu)件變形情況，而且可較為準(zhǔn)確地反映總段各區(qū)域應(yīng)力分布情況，找到應(yīng)力集中區(qū)域，進(jìn)行有針對(duì)性的加強(qiáng)，反復(fù)迭代和優(yōu)化，從而保證在總段吊裝過(guò)程中各結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形皆小于許用值。總段吊裝數(shù)值仿真及優(yōu)化流程[2]如圖1所示。

圖1 總段吊裝數(shù)值仿真及優(yōu)化流程

值得注意的是：現(xiàn)場(chǎng)門式起重機(jī)在起吊后具有自平衡的過(guò)程，即同一起吊小車下的吊排及吊碼的受力應(yīng)當(dāng)均勻，由于摩擦力的存在，雖不能使所有吊碼受力完全一致，但誤差應(yīng)較小。在數(shù)值仿真流程中建立/調(diào)整吊排滑輪組合模型的過(guò)程可確保各吊碼的受力均勻。

2 吊碼布置與加強(qiáng)方案

總段吊裝吊碼布置方案可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)門式起重機(jī)具備的起吊能力及鉤數(shù)、總段質(zhì)量、單個(gè)吊碼承載能力、吊裝甲板構(gòu)件分布等情況確定，吊碼布置在結(jié)構(gòu)區(qū)域。薄甲板總段有限元模型如圖2所示?？偠蔚跹b甲板面吊碼布置情況如圖3所示。根據(jù)總段各要素確定該總段吊碼數(shù)量為左右舷各16個(gè)，通過(guò)數(shù)量較多的吊碼可有效將總段質(zhì)量分散承擔(dān)，并將拉力傳遞至甲板反面的構(gòu)件，以此緩解構(gòu)件承受的應(yīng)力。

圖2 薄甲板總段有限元模型

圖3 總段吊裝甲板面吊碼布置示例

考慮吊碼反面的縱骨相對(duì)較弱，且總段整體質(zhì)量較大，整個(gè)吊裝系統(tǒng)的加強(qiáng)方案原則如下：(1)在吊碼下方和多層甲板間布置槽鋼、合抱槽鋼，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、傳遞拉力，如圖4所示；(2)若吊碼橫向布置，且反面無(wú)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，則反面布置橫向加強(qiáng)板，設(shè)置槽鋼與下層甲板連接，如圖5所示；(3)部分角隅、硬點(diǎn)位置增加加強(qiáng)板，如圖6所示。

圖4 吊碼反面槽鋼加強(qiáng)

圖5 吊碼反面加強(qiáng)板加強(qiáng)

圖6 吊碼反面角隅加強(qiáng)

3 起升因數(shù)選取

在總段吊裝過(guò)程中外載荷僅施加重力場(chǎng)載荷，重力加速度g=9.80 m/s2。

在吊運(yùn)過(guò)程中，由于加速度和沖擊的影響增加起升動(dòng)載力，需要在計(jì)算過(guò)程中增加起升因數(shù)φh。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[3]及規(guī)范[4]，起升因數(shù)按如下公式計(jì)算：

φh=1+CV

(1)

式中：φh為起升因數(shù)；C為起重機(jī)剛度因數(shù)，臂架式起重機(jī)取0.30，門式起重機(jī)取0.60；V為起升速度，m/s，在起升速度超過(guò)1.0 m/s時(shí)，仍按1.0 m/s計(jì)算。

在任何情況下臂架式起重機(jī)的φh應(yīng)不小于1.10，門式起重機(jī)的φh應(yīng)不小于1.15。計(jì)算載荷為總段自重乘以起升因數(shù)φh。

根據(jù)公司搭載部門反饋，根據(jù)吊裝質(zhì)量，1 600 t門式起重機(jī)吊裝速度分別為：空吊，6.0 m/min；500 t，5.0 m/min；800 t及以上，3.0 m/min。

在計(jì)算中，吊裝速度取極端速度6.0 m/min，即V=0.1 m/s，C=0.60。根據(jù)公式計(jì)算，φh=1.06，但根據(jù)規(guī)范φh應(yīng)不小于1.15。同時(shí)考慮吊裝過(guò)程中的環(huán)境影響及不確定因素，計(jì)算取起升因數(shù)為1.20，則實(shí)際施加載荷的重力加速度g=11.76 m/s2。

4 滑輪等效模擬

在實(shí)際吊裝中，吊排采用多級(jí)滑輪結(jié)構(gòu)以平衡各鋼絲繩的受力。但在有限元建模中若僅用桿單元模擬鋼絲繩，不考慮滑輪結(jié)構(gòu)，則總段質(zhì)量分布的不均勻性將導(dǎo)致各鋼絲繩受力不等，與實(shí)際情況不符，因此需要對(duì)滑輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效模擬。

對(duì)于單個(gè)滑輪，由于其左右兩側(cè)鋼絲繩拉力的力臂相等，均為滑輪半徑，因此在平衡狀態(tài)下拉力相等?；谠撛?，構(gòu)建等腰三角形平衡桿[5]，如圖7所示，其中：R為滑輪半徑；F1和F2為滑輪鋼絲繩所受外力。平衡桿采用桿單元建模。為防止平衡桿變形對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大影響，平衡桿截面積或彈性因數(shù)應(yīng)高于鋼絲繩1個(gè)量級(jí)。

圖7 單滑輪等效模型

以平衡桿頂點(diǎn)作為支點(diǎn)，支點(diǎn)約束3個(gè)方向的平動(dòng)自由度；兩側(cè)鋼絲繩拉在平衡桿2個(gè)底點(diǎn)，底點(diǎn)約束垂直紙面方向的平動(dòng)自由度。使平衡桿僅在面內(nèi)繞頂點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。保證兩側(cè)鋼絲繩與平衡桿底邊夾角相等，即可確保兩側(cè)鋼絲繩拉力相等。

對(duì)于多級(jí)滑輪結(jié)構(gòu)，采用多級(jí)等腰三角形平衡桿組合等效模擬，如圖8所示，其中：R1～R3為各級(jí)滑輪半徑，F(xiàn)1～F6為滑輪鋼絲繩所受外力。以Ⅰ級(jí)平衡桿頂點(diǎn)作為支點(diǎn)，支點(diǎn)約束3個(gè)方向的平動(dòng)自由度；以Ⅰ級(jí)平衡桿底點(diǎn)作為Ⅱ級(jí)平衡桿頂點(diǎn)，Ⅱ級(jí)平衡桿各點(diǎn)均約束垂三角面方向的平動(dòng)自由度[6]，如圖9所示。

圖8 多級(jí)滑輪等效模型

圖9 多級(jí)滑輪有限元模型

5 總段吊裝仿真初步計(jì)算

根據(jù)上述輸入條件，建立吊裝系統(tǒng)完整有限元模型，提交計(jì)算，得到相應(yīng)結(jié)果，對(duì)甲板吊碼附近及槽鋼端部附近結(jié)構(gòu)應(yīng)力及整體變形進(jìn)行分析?？偠斡邢拊Ｐ椭械牡跹b系統(tǒng)及總段吊裝甲板如圖10所示。

圖10 吊裝系統(tǒng)及吊裝甲板示例

在有限元模型分析過(guò)程中應(yīng)注意如下各點(diǎn)：(1)吊碼附近結(jié)構(gòu)為考察區(qū)域，需要對(duì)該區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，根據(jù)船級(jí)社及相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，將網(wǎng)格細(xì)化為50.0 mm×50.0 mm，如圖11所示；(2)吊碼附近采用一維單元建立的型材，需要將其轉(zhuǎn)換為二維板單元，其應(yīng)力反映更加真實(shí)，如圖12所示；(3)計(jì)算完成，有限元軟件中的Displacement模塊顯示總段整體位移值，包括鋼絲繩變形，因此考察吊裝甲板區(qū)域變形需要對(duì)甲板進(jìn)行單獨(dú)考察。

圖11 網(wǎng)格細(xì)化

圖12 板單元型材

5.1 變形情況

計(jì)算結(jié)束，為考察吊裝甲板變形情況，需要將甲板提取出來(lái)進(jìn)行單獨(dú)分析。吊裝甲板艏部與主橫艙角接，由于甲板與橫艙壁角接一條線上的甲板變形微小，因此可以該線為基準(zhǔn)線，認(rèn)為其變形為0，通過(guò)其他區(qū)域與基準(zhǔn)線的位移值之差得到其他區(qū)域的變形值。

吊裝甲板變形趨勢(shì)如圖13所示。通過(guò)與基準(zhǔn)線位移值之差，得到相應(yīng)位置的變形值，正數(shù)為凸起，負(fù)數(shù)為下凹。由圖13可知：吊碼附近的變形較小，最大變形值為自由邊的18.0 mm，該變形主要是由吊碼受力后產(chǎn)生的彎矩所致，對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響不大。

圖13 吊裝甲板變形趨勢(shì)示例

5.2 吊碼受力情況

根據(jù)門式起重機(jī)起吊原理及定滑輪原理，在同一吊排上，各吊碼受力的受力應(yīng)當(dāng)均勻，因此對(duì)仿真結(jié)果中的吊碼受力情況進(jìn)行分析。不同吊排下的吊碼受力情況如圖14和圖15所示。

圖14 1號(hào)吊排下的吊碼受力

圖15 2號(hào)吊排下的吊碼受力

對(duì)不同吊排下的吊碼受力情況進(jìn)行分析，同組吊碼受力基本一致，微小差別可能由軟件精度或三角等效系統(tǒng)偏差引起，但誤差可接受。值得注意的是：所有吊碼受力之和除以起升因數(shù)及重力加速度，其值應(yīng)等于總段質(zhì)量。

5.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況

通過(guò)數(shù)值仿真，得到總段吊裝的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，總段結(jié)構(gòu)所用材料許用應(yīng)力為234 MPa，則以該值為基準(zhǔn)，查找超過(guò)衡準(zhǔn)的區(qū)域。應(yīng)力超衡準(zhǔn)部位如圖16所示，圖中陰影部位應(yīng)力皆小于衡準(zhǔn)，超過(guò)部分以云圖形式顯示。通過(guò)對(duì)比與分析，超衡準(zhǔn)部位集中在吊碼下方縱向骨材處?？v向骨材規(guī)格偏弱，吊碼一端踩在橫向構(gòu)件上，另一端僅踩在縱骨上，吊裝產(chǎn)生的彎矩會(huì)導(dǎo)致縱骨出現(xiàn)較大應(yīng)力，因此考慮將結(jié)構(gòu)較弱部分進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

圖16 應(yīng)力超衡準(zhǔn)部位

6 總段吊裝仿真優(yōu)化計(jì)算

分析總段吊裝仿真計(jì)算的整體狀態(tài)，吊裝甲板變形總體較好，各組吊碼受力均勻，局部區(qū)域出現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力超衡準(zhǔn)情況，應(yīng)對(duì)該部分進(jìn)行有針對(duì)性的加強(qiáng)優(yōu)化。通常的補(bǔ)強(qiáng)方式如下：(1)吊碼反面增加短筋，形成密集框架結(jié)構(gòu)，如圖17所示；(2)縱骨腹板裝焊加強(qiáng)板，提高縱骨抗彎抗扭能力，如圖18所示；(3)局部區(qū)域增加槽鋼加強(qiáng)。

圖17 短筋加強(qiáng)

圖18 腹板加強(qiáng)

6.1 變形情況

通過(guò)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)和優(yōu)化，對(duì)總段吊裝過(guò)程重新模擬仿真，其吊裝甲板變形情況如圖19所示。

圖19 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的吊裝甲板變形示例

經(jīng)過(guò)有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，甲板面變形情況得到緩解，自由邊由彎矩形成的大變形得到優(yōu)化，說(shuō)明加強(qiáng)結(jié)構(gòu)可較好地分擔(dān)與傳遞吊碼受到的拉力及產(chǎn)生的應(yīng)力。

6.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況

由于結(jié)構(gòu)加強(qiáng)新增質(zhì)量較小，對(duì)總段整體質(zhì)量重心影響微小，對(duì)各組吊碼受力影響不大，因此不再考慮吊碼受力，直接分析相應(yīng)部分的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，對(duì)應(yīng)力超衡準(zhǔn)吊碼附近應(yīng)力進(jìn)行校核。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的應(yīng)力云圖如圖20所示。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，超衡準(zhǔn)區(qū)域應(yīng)力大幅下降，最大值為200 MPa，在理論計(jì)算中結(jié)構(gòu)可安全吊裝。

圖20 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的應(yīng)力云圖

7 結(jié) 語(yǔ)

利用仿真技術(shù)選定某工程大型薄甲板總段進(jìn)行吊裝仿真和優(yōu)化，可有效獲取總段吊裝過(guò)程中的應(yīng)力分布及變形情況，較為準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)，從而有針對(duì)性地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)吊裝方案進(jìn)行優(yōu)化，保證總段吊裝順利、結(jié)構(gòu)安全。在仿真過(guò)程中，對(duì)吊裝計(jì)算的方法、步驟、因數(shù)選取和吊排與吊碼的模擬及結(jié)果讀取方法進(jìn)行詳細(xì)描述，可為類似結(jié)構(gòu)的吊裝或其他靜態(tài)計(jì)算項(xiàng)目提供一定的方法和原理借鑒。