大型VLCC上層建筑整體吊裝有限元分析

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(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院,江蘇鎮江 212003；2. 廣州廣船國際股份有限公司,廣州 510000)

上層建筑整體吊裝方式使得上層建筑建造的很多工序可以在分段吊裝前提前進行。這項工作不僅改善了施工環境還提高了上層建筑的預舾裝比例，同時也提高了勞動生產效率、縮短了船舶的建造周期、降低了造船成本。

預舾裝程度的提高使得上層建筑整體分段的尺寸越來越大，重量越來越大，上層建筑的整體剛度已經逐漸不能滿足吊裝過程的強度要求。因此，在增加預舾裝比例的同時，也要特別關注上層建筑在起吊過程中的應力響應和結構變形，控制上層建筑在吊裝過程中的最大變形，保障上層建筑整體吊裝的順利進行。張延昌等[1-5]利用有限元軟件MSC.Nastron對某型船舶上層建筑整體吊裝過程進行了有限元數值模擬，并根據數值模擬結果給出了有效的結構加強措施。李永正等[6-8]根據上層建筑整體吊裝有限元數值模擬的特點，指出了當前運用有限元軟件進行上層建筑整體吊裝數值模擬時存在的問題，并根據遞歸的思想提出了更加符合吊裝實際情況的邊界條件處理方法。本文以某大型VLCC上層建筑為例，利用有限元軟件MSC.Patran/Nastran軟件根據實際吊裝工況進行整體吊裝強度有限元分析，并開展結構加強研究，保障上層建筑整體吊裝正常進行。

1 VLCC上層建筑吊裝實例

1.1 上層建筑結構形式

如圖1所示，本文選用的VLCC上層建筑前島共有八層，從上而下分別為：羅經甲板及其下圍壁、橋樓甲板及其下圍壁、F甲板及其下圍壁、E甲板及其下圍壁、D甲板及其下圍壁、C甲板及其下圍壁、B甲板及其下圍壁、A甲板及其下圍壁，整個上層建前島總長為16.15 m，寬為60.00 m、高為23.15 m。

1.2 材料及重量、重心分布

上層建筑各層甲板均采用橫骨架式，采用低碳鋼建造，材料參數為密度ρ=7 800 kg/m3、彈性模量E=210 GPa、泊松比μ=0.3。上層建筑進行預舾裝后數據匯總見表1。

表1 上層建筑重量、重心表

1.3 上層建筑有限元模型

利用MSC.Patran軟件對該上層建筑建立三維有限元模型，見圖2。

有限元模型包括：FR40-FR54的羅經甲板及其下圍壁結構，FR37-FR54的橋樓甲板及其下圍壁結構，FR35-FR54的F甲板及其下圍壁結構，FR35-FR54的E甲板及其下圍壁結構，FR35-FR54的D甲板及其下圍壁結構，FR35-FR54的C甲板及其下圍壁結構，FR35-FR54的B甲板及其下圍壁結構，FR35-FR54的A甲板及其下圍壁結構。各層甲板與其下圍壁采用板單元，各層甲板上的縱骨、橫梁與其下圍壁上的扶強材采用梁單元。將上層建筑劃分成79 628個單元、58 848個節點。吊排布置在C甲板及羅經甲板左右兩邊圍壁處，其局部有限元模型見圖3。

圖1 上層建筑結構

圖2 上層建筑有限元模型

圖3 C甲板吊牌有限元模型

1.4 吊裝方案

該上層建筑前島在FR40、FR41、FR43、FR44、FR47、FR48的C甲板上布置了12個吊碼，在RF51+425、FR52+425的橋樓甲板上布置4個吊碼。16個吊碼布置在C甲板(橋樓甲板)與其下圍壁相交處。圖4所示為吊裝方案布置的側視圖，分別用2臺600t龍門吊進行聯合吊裝，共布置4組鋼絲繩進行16個吊碼的起吊。

圖4 吊碼布置示意

1.5 有限元分析的坐標系設置

坐標系統采用右手坐標系，坐標原點O位于主甲板船中FR35處，X軸由左舷指向右舷為正，Y軸沿著型深向上為正，Z軸為指向船艏方向為正。

1.6 計算工況、邊界條件及載荷

在上層建筑結構吊裝過程中，結構的最大響應主要來自于起吊瞬間吊索的沖擊載荷。本文主要研究吊裝過程中的最大響應及相應的結構加強，因此分析工況采用最危險工況——吊裝過程中的強度分析。計算工況、載荷如下。

1)工況。吊裝過程中結構強度分析。

2)載荷。在上層建筑吊裝過程中考慮其沖擊載荷的影響，在型深方向取：a=1.2g,其余方向為0。

3)邊界條件。每個吊孔取3個節點作為吊孔的受力點，通過計算獲得這些吊點的支反力，用支反力替代Y向的約束。在有限元模型的重心位置處約束X向和Z向的位移。

1.7 有限元計算結果與分析

上層建筑計算結果數據見表2，計算得到的上層建筑應力、位移云圖見圖5～6。

表2 結構應力與變形計算結果匯總表

圖5 上層建筑整體應力分布云圖

圖6 上層建筑整體位移分布云圖

由表2可見，上層建筑吊裝過程中最大應力為163 MPa，最大應力在A圍壁Fr46與L-9處的門框底部。在上層建筑吊裝過程中A甲板的下圍壁處于懸空狀態，起吊時必然會產生較大的變形和應力。除此以外，B甲板的下圍壁最大應力為138 MPa，位于圍壁艙門開口處；C甲板上的最大應力也達到了134 MPa，位于C甲板靠近吊排布置區域。上層建筑整體吊裝引起的位移偏大，會使得甲板板和平臺板上部分舾裝結構損壞，甚至影響設備安裝。表2中也列出了上層建筑在吊裝過程中的結構變形，其中最大變形為15.4 mm，位置在E甲板左舷延伸甲板處。由于E甲板和D甲板左右舷兩側均有舷伸平臺，在起吊過程中由于平臺底下支撐結構不夠強，造成該處的變形較大。為了有效的控制結構變形，需要對上建結構進行局部加強，降低吊裝引起的變形。

2 結構加強方案及計算結果

2.1 結構加強方案

1)由于A甲板下圍壁在吊裝過程中沒有任何加強，使得該處的變形和應力均比較大。加強方案為：A甲板下圍壁輪機更衣室中的門做臨時封閉，并且在該艙室對角上加設一根角鋼，尺寸為L250×90×12×16，見圖7。

圖7 A甲板加強效果

2)D、E甲板左右舷伸出平臺在吊裝過程中，由于沒有支撐，使得在吊裝過程中變形較大。加強方案為：D、E甲板左右舷伸出平臺各增加兩根角鋼作臨時加強，尺寸為L250×90×12×16，如圖8。

圖8 D、E甲板加強效果

2.2 加強后的分析結果匯總

圖9 上層建筑整體應力分布云圖

表3給出了結構加強后的最大應力和變形的計算結果匯總。不難看出，通過加強后，各層甲板圍壁的應力值均有所下降，尤其是A甲板及下圍壁的應力值從163 MPa下降至138 MPa。這主要是由于臨時封閉了門窗，增加了A甲板下圍壁結構在橫向和縱向的連續性，改善了區域的應力集中。此外，加強方案對于變形的控制效果也非常明顯，采用加強方案2對D和E甲板左右舷伸出平臺板進行臨時加強后，有效控制了左右舷伸出平臺板的變形：結構加強前D和E甲板左右舷伸出平臺板的最大變形值達到了15.1 mm和15.4 mm；局部加強后，變形值分別降成9.92 mm和9.69 mm。

表3 結構應力與變形計算結果匯總表

圖10 上層建筑整體位移分布云圖

3 結論

1)根據實際吊裝情況利用有限元技術對VLCC上層建筑吊裝進行數值模擬，較真實地反映了實際吊裝過程中可能出現的問題。

2)在計算過程中采用吊排支反力替代約束的加載方式更能反映實際吊裝過程中上建結構以及吊排的真實受力情況。

3)通過對大型VLCC上層建筑整體吊裝有限元直接計算，得到了上層建筑整體結構在加強前后的結構響應。并根據有限元數值計算結果對上層建筑進行了局部加強，有效地控制了吊裝引起的變形，保障了上層建筑整體吊裝的順利進行。

[1] 張延昌,王自力,羅廣恩,等.船舶上層建筑整體吊裝強度有限元分析[J].船舶工程,2006,28(3):62-65.

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