基于FPSO上層建筑不同吊裝方案的變形控制研究

李永正，曹 軼，竇培林，李志祥，曹進操

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江212003;2.廣州中船龍穴造船有限公司，廣東 廣州511462)

0 引 言

隨著船舶建造技術的快速發展，船廠對于船舶建造周期、降低建造成本的需求日益凸顯，上層建筑整體吊裝的方式使得上層建筑中的各項工作可以在分段吊裝前提前進行。這不僅改善了施工環境，還大大提高了上層建筑的預舾裝程度，將大大提高勞動生產效率、縮短船舶的建造周期、降低造船成本。

然而，提高吊裝前的上層建筑預舾裝度也給吊裝帶來一定的困難。隨著上層建筑整體分段的尺寸和重量越變越大，使得整體剛度越來越小，吊裝過程中的結構變形控制顯得尤為重要。因此，更加細化的吊裝方案，尤其是吊排的布置形式以及各分段的起吊方式對吊裝過程中的變形控制對上層建筑預舾裝比例起到了關鍵作用。

本文以某大型FPSO上層建筑為例，根據不同的吊裝分段方式以及吊排布置方式，選取了3 種吊裝備選方案，利用有限元軟件MSC.Nastran 對其進行直接計算，分析對比了各方案的特點和局限性，為FPSO上層建筑吊裝順利進行提供了保障。

1 FPSO上層建筑結構形式及吊裝方案

1.1 上層建筑結構形式

本文選取1 艘大型FPSO上層建筑進行分析，結構共有7 層，從FR36 肋位到FR54 號肋位的頂甲板及其下圍壁結構，駕駛甲板及其下圍壁結構，E甲板及其下圍壁結構，D 甲板及其下圍壁結構，C甲板及其下圍壁結構，B 甲板及其下圍壁結構，A甲板和Cellar 甲板及其下圍壁結構。

該上層建筑長15.7 m，寬44.94 m，高28.5 m，各層甲板圍壁的板厚分布如表1所示。

表1 上層建筑板厚分布Tab.1 Distribution of superstructure plate thickness

1.2 材料及重量重心

上層建筑采用的材料參數為:密度σ=7 800 kg/m3，彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3。上層建筑各層甲板采用橫骨架式，實際結構重量、重心與有限元模型的重量、重心對比如表2所示。

表2 上層建筑重量、重心表Tab.2 Superstructure weight、center of gravity table

1.3 吊裝方案

本文共選取3 種吊裝方案進行對比分析，其中包括2 種整體吊裝方案及1 種分體吊裝方案，3 種方案具有各自的特點以及局限性。上層建筑整體吊裝與分體吊裝相比可以極大地提高上層建筑預舾裝比例、縮短船臺建造周期、提高工程效率;而不足之處在于由于起吊重量大幅提高，對船廠吊機的起吊能力以及吊排的裝配質量提出了較高要求;另外，對于吊裝過程中的變形控制方面，雖然整體吊裝的重量較之分體吊裝有明顯增加，但由于整體吊裝中有較多橫貫左右舷的甲板圍壁結構，這有利于整體剛度的提高，因此，變形控制上比分體吊裝薄弱。

吊排的布置也會影響吊裝結果。其中，縱向布置的吊排較為常見，船廠對這種起吊方式的經驗豐富，對吊裝過程中出現的問題也有充分準備，不足之處在于對于大跨距的結構，很可能會因為整體剛度不足而造成中部區域的局部變形過大和應力集中現象。

橫向布置的吊排，與縱向布置相比，橫向的吊排往往是分散在上層甲板上，吊排結構處具備較好的上下連續性，保證了應力的有效傳遞，減少了結構變形和損壞，能夠解決大跨距帶來的結構變形問題。但這種方式也對船廠合理使用吊機，選擇合適的起吊方式提出了考驗。

方案1:整體吊裝(縱向吊排布置)

在該上層建筑FR38+410，FR39+410，FR40+410，FR41+ 410，FR43，FR44－ 290，FR45+410，FR46+410，FR47+410，FR48+410，FR49+510，FR50+410的頂甲板上布置24個吊碼，24個吊碼布置在頂甲板左右兩側外圍壁處。為了局部加強，吊耳與駕駛甲板圍壁1.1 m 范圍內板厚從8 mm增加到18mm。根據要求，吊裝時僅使用頂甲板上FR38+410，FR39+410，FR40+410，FR41+410，FR43，FR44－290，FR45+410，FR46+410，FR47+410，FR48+410，FR49+410，FR50+410左右對稱的24個吊碼，分別用2 根500 t 吊梁進行吊裝，共布置4 組鋼絲繩進行24個吊碼的起吊，具體吊裝圖如圖1所示。

方案2:整體吊裝(橫向吊排布置)

在該上層建筑Top 甲板后圍壁和NAV 甲板前壁左右四處分別布置吊碼。為了局部加強，吊耳與駕駛甲板圍壁1.2 m 范圍內板厚從8 mm 增加到18 mm。分別用2 根1 000 t 吊梁進行吊裝，共布置16 組鋼絲繩進行32個吊碼的起吊，吊排及吊孔的位置布置如圖2和圖3所示。

圖1 吊裝示意圖Fig.1 Lifting schematic figure

圖2 吊碼布置圖Fig.2 Hanging code layout drawings

圖3 吊碼布置圖Fig.3 Hanging code layout drawings

方案3:分體吊裝

把FPSO上層建筑分XL001和XL041 分別起吊2個分段。

XL001 分段:該上層建筑在FR36+ 460，FR37+ 460，FR38+ 460，FR39+ 460，FR40+460，FR41+460，FR42+460，FR43+500，FR46+400，FR47+ 400，FR48+ 400，FR49+ 400，FR50+400，FR51+400，FR52+400，FR53+300的C 甲板上布置了32個吊碼，32個吊碼布置在C甲板圍壁處。為了局部加強，吊耳與C 甲板圍壁1.1 m 范圍內板厚從8 mm 增加到18 mm，吊裝圖如圖4(a)所示。

XL041 分段:該上層建筑在FR38+410，FR39+410，FR40+ 410，FR41+ 410，FR43，FR44－290，FR45+410，FR46+410，FR47+410，FR48+410，FR49+510，FR50+410的頂甲板上布置了24個吊碼，24個吊碼布置在頂甲板圍壁處。為了局部加強，吊耳與頂甲板圍壁1.1 m 范圍內板厚從8 mm增加到18 mm，吊裝圖如圖4(b)所示。

圖4 吊碼布置圖Fig.4 Hanging code layout drawings

1.4 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，3 種吊裝方案的有限元模型如圖5所示。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。方案1 共劃分117 467個單元、83 508 節點。方案2共劃分117 398個單元、83 446 節點。方案3XL001共劃分65 147個單元、844 854 節點;XL041 共劃分77 588個單元、57 450 節點。

圖5 上層建筑有限元圖Fig.5 Superstructure finite element figure

1.5 計算工況、邊界條件及載荷

在上層建筑結構吊裝過程中，結構的響應主要是由于結構的重量及運動產生的慣性載荷。因此需要分析吊裝前的結構響應、吊裝時結構的響應，進而確定由于吊裝所引起的結構的響應，計算工況如下:

工況1——吊裝前的結構響應

載荷:上層建筑吊裝前的載荷為自身的重量，即施加慣性載荷:ay=g=－9.8 m/s2;

邊界條件:上層建筑下層甲板下面所有圍壁約束x，y，z 三個方向的線位移和角位移。

工況2——吊裝過程中結構響應

載荷:在上層建筑向上吊裝的瞬間過程中考慮其沖擊載荷的影響在型深方向取:ay=1.2 g=－11.76 m/s2

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。

此外，為了描述結構由于吊裝瞬間而引起的應力變形的變化情況，本文使用吊裝引起的結構響應，即用工況2的結果減去工況1的結果加以分析對比。

2 計算結果與分析

上層建筑計算結果數據如表3所示，計算得到的上層建筑應力應變云圖見圖8～圖11。

方案1 中由于吊排與頂甲板圍壁之間沒有連續構件的支撐，加上整體分段重量較大，所以在吊排與甲板連接部位出現了較嚴重的應力集中現象，最大應力達1 710 MPa，遠遠超過了材料的極限強度。變形方面，由于整體模型的中心靠近前端壁，致使前端壁的變形普遍較大，均在17 mm 以上。關于各層甲板上的預舾裝，本文采用的是統一增加材料密度的方法，其中包括各層甲板及其下圍壁結構。采用這種方式的主要原因是:把部分預舾裝的重量分擔到艙壁處，相當于變相的減少了各層甲板的所受的荷載。故如果這種工況各層甲板的變形較大，不滿足需求的話，則實際工況中各層甲板的變形更加不可能滿足;

方案2 中橫向布置的吊排能夠很好地將應力傳遞至下層甲板及圍壁，具體表現為:最大應力153 MPa，出現在駕駛甲板下圍壁，除此之外的應力大都控制在100 MPa 以下;最大變形為16 mm，位置在C 甲板，其他區域的變形控制在10 mm 左右;

方案3 分體吊裝，吊裝重量減小的同時，結構剛度也有所損失。導致最大應力也達到了248 MPa，位置在頂甲板下圍壁，最大變形為4.9 mm，位置在C 甲板。

表3 吊裝引起的結構應力與變形計算結果匯總表Tab.3 Summary of structure stress and deformation calculation results caused by lifting

圖6 001 分段應力云圖Fig.6 Section 001 stress nephogram

圖7 001 分段位移云圖Fig.7 Section 001 displacement nephogram

圖8 041 分段應力云圖Fig.8 Section 041 stress nephogram

圖9 041 分段位移云圖Fig.9 Section 041 displacement nephogram

從圖中可看出，無論是應力還是變形，方案2的結構響應結果要優于方案1和方案3，分析其原因:

1)同樣是整體吊裝方案，采用吊排橫向布置的結果明顯要優于縱向布置，這是因為橫向布置的吊排不僅有效化解了模型橫向跨距過大的問題，同時使得吊排和圍壁間保持良好的上下連續性，保證了應力的有效傳遞，減少了結構的變形。

2)整體吊裝方案下模型的整體重量雖然比分體吊裝重量大很多，但由于整體模型存在較多橫貫左右舷的甲板圍壁結構，使得模型性整體剛度有較大提高，從而整體變形較低。

3)分體吊裝方案下模型整體重量輕了很多，但由于上層建筑結構具有橫向的大跨度，且吊排采用了常見的縱向布置，使得模型中部區域下垂現象嚴重，表現為多處甲板圍壁區域的變形超過了15 mm。

3 結 語

上層建筑吊裝過程中的關鍵問題是變形控制。保證結構響應在規定范圍內對上層建筑預舾裝率的提高具有重要的現實意義。在吊裝之前，確定一個合理的吊裝方案是保證吊裝順利進行關鍵因素。本文以某大FPSO 為例，選取3 種吊裝方案對上層建筑有限元模型進行了數值模擬，得到了以下主要結論:

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

2)在有限元數值模擬過程中，網格的劃分，對結構外形以及構件之間連接關系的準確描述是保證模型的空間結構與實際情況相符合的關鍵，而合理加載邊界條件則能真實反映實際吊裝過程中上層建筑結構以及吊排結構的響應;

3)通過對FPSO上層建筑有限元模型進行直接計算，得到了3 種吊裝方案下上層建筑整體結構的結構響應。結果表明采用整體吊裝加吊排橫向布置的吊裝方案更有效的控制了上層建筑吊裝引起的變形，更好的保障了上層建筑整體吊裝的順利進行。

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