大型船舶上層建筑整體吊裝方案有限元分析

劉凌杰，董利民，李 瑞，孫瑞雪

(1.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116011)

0 引 言

上層建筑整體吊裝是指將上層建筑作為完整模塊在平臺上進行建造，并對其進行預(yù)舾裝和涂裝等作業(yè)，再將完整的上層建筑模塊整體吊裝至船塢，與主船體進行合龍[1]。為提高生產(chǎn)效率、縮短船舶建造周期和降低造船成本，上層建筑整體吊裝已成為必然趨勢。但船舶大型化和預(yù)舾裝程度提高使上層建筑整體分段的尺寸與質(zhì)量越來越大，而剛度則變小，因此上層建筑的整體吊裝變得更加困難。為保證吊裝安全順利進行，設(shè)計合理的吊裝方案并對吊裝的上層建筑提前進行有限元分析至關(guān)重要。

文獻[2]～文獻[5]分別對不同載重量集裝箱船上層建筑整體吊裝進行有限元分析，對吊裝方案進行優(yōu)化，以保證上層建筑總段吊裝過程順利進行。張超[6]對深水海工作業(yè)輔助船(Subsea Support Vessel，SSV)上層建筑吊裝進行有限元分析，根據(jù)計算結(jié)果對吊裝方案進行改進，以保證吊裝過程中的上層建筑結(jié)構(gòu)強度滿足要求。文獻[7]～文獻[9]分別對不同載重量的散貨船上層建筑整體吊裝進行有限元分析，對局部進行加強，以保證吊裝過程的安全性。李永正等[10]利用MSC Nastran對超大型油船(Very Large Crude Carrier，VLCC)上層建筑進行整體吊裝強度有限元分析，得到各層結(jié)構(gòu)響應(yīng)，提出結(jié)構(gòu)加強措施，有效降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形。上述研究均運用有限元計算軟件對上層建筑整體吊裝過程中的應(yīng)力變形進行分析計算，并涉及對吊裝方案的改進和對改進方案合理性的分析驗證，但改進方案均對結(jié)構(gòu)進行加強，未考慮對吊點位置和數(shù)量進行調(diào)整，未針對吊點位置和數(shù)量對上層建筑整體吊裝過程中的應(yīng)力變形影響進行研究分析。

以某大型船舶上層建筑整體吊裝為例，利用MSC.Patran和MSC Nastran，根據(jù)吊點位置和數(shù)量不同的3個吊裝方案，對吊裝過程中的上層建筑應(yīng)力和變形進行有限元計算，并對計算結(jié)果進行比較分析。

1 基本情況

該型船上層建筑長為24 850.0 mm(FR6～FR36)，寬為29 650.0 mm(上層建筑左右舷圍壁間距為27 200.0 mm)，高為26 390.0 mm；各層甲板采用橫骨架式；采用低碳鋼材料，密度為7 850 kg/m3、彈性模量E=2.06×106MPa，泊松比為0.3，許用應(yīng)力為235.0 MPa?？傮w坐標(biāo)原點設(shè)置于船尾底部船舶實際原點處：x軸沿船體縱向，向首為正；y軸沿船體橫向，由右舷指向左舷為正；z軸沿船體垂向，向上為正。上層建筑計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design，CAD)三維模型如圖1所示，其中：Z為全船坐標(biāo)系下的垂向坐標(biāo)。

上層建筑質(zhì)量為366 t，舾裝質(zhì)量為222 t，其質(zhì)量重心分布如表1所示。

2 吊裝方案

吊裝方案主要包括選用起重機類型、吊點位置和局部加強等方面。3個吊裝方案均采用單臺900 t門式起重機對上層建筑進行吊裝。吊點位置須滿足鋼絲繩對夾角的要求，應(yīng)確保鋼絲繩與豎直方向夾角較小，否則將加大鋼絲繩的負(fù)載。應(yīng)根據(jù)分段的質(zhì)量重心進行配置，吊點一般設(shè)置于重心的兩側(cè)對稱位置，有利于吊裝時的分段受力平衡。不僅應(yīng)考慮分段質(zhì)量，而且應(yīng)考慮各種舾裝件質(zhì)量。為保證結(jié)構(gòu)強度、減小變形，一般將吊點設(shè)置于強構(gòu)件位置，且在某些應(yīng)力集中或易發(fā)生變形的部位采用局部加強，因此3個吊裝方案均通過在吊點位置背面添加肘板的方式對結(jié)構(gòu)進行局部加強。吊裝方案對比如表2所示。吊裝方案掛繩如圖2所示。

表2 吊裝方案對比

3 有限元模型

3.1 模型創(chuàng)建

有限元模型中的板材均為平面板，為便于建模及網(wǎng)格劃分，忽略板材上的較小開孔。板材主要采用四節(jié)點四邊形板單元，在部分角隅處采用三角形單元。對橫梁、縱骨和縱桁等加強材采用梁單元，對較小骨材進行簡化處理，將其換算為等效板厚加至對應(yīng)板上。上層建筑有限元模型如圖3所示。

圖3 上層建筑有限元模型

3.2 質(zhì)量重心調(diào)整

在上層建筑整體吊裝中，預(yù)舾裝程度較高。由于舾裝件布置一般較為均勻，因此采用調(diào)密度法將舾裝質(zhì)量均勻施加至整個模型上。通過軟件可自動計算模型質(zhì)量重心，與實際情況對比，若差距較大則可通過集中質(zhì)量調(diào)節(jié)重心位置。模型與實際質(zhì)量重心對比如表3所示。由于上層建筑采用低碳鋼為材料，其密度為7.85×10-9t/mm3，經(jīng)調(diào)整將密度設(shè)為1.262 1×10-8t/mm3。

表3 模型與實際質(zhì)量重心對比

4 吊裝強度分析

4.1 邊界條件與載荷條件

在對上層建筑施加邊界條件時應(yīng)聯(lián)系工程實際，在眼板位置上應(yīng)約束眼板與上層建筑接觸位置的x、y和z方向的位移。為防止某些舷伸甲板的局部奇異性變形對計算結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，對舷伸甲板基部加強材位置的節(jié)點z方向位移進行約束。載荷條件是對上層建筑模型施加z方向的重力場，取g=9.8 m/s2，其他方向為0。

4.2 方案1計算結(jié)果

將在MSC.Patran中創(chuàng)建的模型按方案1施加邊界條件和載荷條件，導(dǎo)入MSC Nastran進行計算，將得到的結(jié)果重新導(dǎo)入MSC.Patran進行后處理。方案1應(yīng)力變形云圖如圖4所示。

圖4 方案1應(yīng)力變形云圖

由計算結(jié)果可知：最大應(yīng)力為142.0 MPa，位于第3層甲板FR6的L2吊點附近；最大變形為27.0 mm，位于第2層甲板FR19的L-2附近(右側(cè)大開口中間部位)。方案1計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表4 方案1計算結(jié)果匯總

4.3 方案2計算結(jié)果

按方案2對模型施加邊界條件和載荷條件進行計算，方案2應(yīng)力變形云圖如圖5所示。

圖5 方案2應(yīng)力變形云圖

由計算結(jié)果可知：最大應(yīng)力為105.0 MPa，位于頂層圍壁FR7的L-8下方隅角附近；最大變形為32.3 mm，位于右舷側(cè)支柱底端。方案2計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表5 方案2計算結(jié)果匯總

4.4 方案3計算結(jié)果

按方案2對模型施加邊界條件和載荷條件進行計算，方案3應(yīng)力變形云圖如圖6所示。

圖6 方案3應(yīng)力變形云圖

由計算結(jié)果可知：最大應(yīng)力為98.9 MPa，位于第2層甲板吊點下方圍壁頂端附近；最大變形為20.7 mm，位于左舷側(cè)支柱底端。方案3計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表6 方案3計算結(jié)果匯總

5 結(jié) 論

對某大型船舶上層建筑整體結(jié)構(gòu)3個吊裝方案的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行有限元分析，計算得到上層建筑各構(gòu)件在吊裝過程中的應(yīng)力與變形水平，根據(jù)有限元計算結(jié)果進行對比分析，結(jié)論如下：

(1)采用方案3，上層建筑在吊裝過程中產(chǎn)生的應(yīng)力與變形均小于方案1和方案2，因此方案3為最優(yōu)方案，該方案產(chǎn)生的最大應(yīng)力為98.9 MPa，結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

(2)結(jié)構(gòu)高應(yīng)力主要出現(xiàn)于吊點附近、角隅附近和縱橫強構(gòu)件間斷處等部位，在吊裝過程中可采取適當(dāng)加強。

(3)在3個吊裝方案中，兩側(cè)支柱的底端變形均較大，原因在于結(jié)構(gòu)的整體變形在該處的迭加。

(4)結(jié)構(gòu)的大變形主要出現(xiàn)于舷伸甲板、一端自由的支柱、大開口中部和無縱橫構(gòu)件支撐的甲板中部等部位，在吊裝過程中可采取適當(dāng)加強。

(5)由方案1與方案2對比可知：適當(dāng)增加吊鉤和吊點的數(shù)量，可減小結(jié)構(gòu)在吊裝過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。因此，在條件允許的情況下，可在吊裝方案中適當(dāng)增加吊點和吊鉤數(shù)量。

(6)由方案2與方案3對比可知：將布置于同層甲板的吊點分散至多層甲板，可減小結(jié)構(gòu)在吊裝過程中產(chǎn)生的應(yīng)力和變形。因此，在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能將吊點布置于多層甲板。

上述結(jié)論可在吊裝方案設(shè)計優(yōu)化過程中起到較強的指導(dǎo)和借鑒作用，但研究存在一些不足，例如未考慮外部載荷影響和眼板強度問題，在后續(xù)研究中加以改進。