基于有限元分析的船舶分段吊裝定位焊布置設(shè)計

王先德， 羅　宇， 鐘志平

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院， 上海 200030； 2.中海工業(yè)(江蘇)有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225200)

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基于有限元分析的船舶分段吊裝定位焊布置設(shè)計

王先德1， 羅宇1， 鐘志平2

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院， 上海 200030； 2.中海工業(yè)(江蘇)有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225200)

摘要根據(jù)船體Tribon模型，運(yùn)用MSC Patran建立舷側(cè)總段的有限元分析模型，分析總段在吊裝定位時定位焊布置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。通過計算機(jī)模擬，可以確定應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)變形。根據(jù)其特點(diǎn)，提出了合理有效的改進(jìn)措施，為分段吊裝定位焊布置提供了依據(jù)。有限元分析計算的結(jié)果，可用于指導(dǎo)船舶分段吊裝定位焊布置的設(shè)計和優(yōu)化，提高船舶建造的效率。

關(guān)鍵詞分段吊裝定位焊布置有限元強(qiáng)度分析

Tacking Welding Arrangement Design of Assemble Block Based on Finite Element Analysis During Erection

WANG Xian-de1, LUO Yu1, ZHONG Zhi-ping2

(1.Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China;2.China Shipping Industry (Jiang Su) Co., Ltd., Yangzhou Jiangsu 225200, China)

AbstractAccording to the Tribon model,analysing the tacking welding strength during erection of assemble block using the finite element analysis model of side shell assemble block which established by MSC patran.Confirm the stress distribution and structural deformation through computer simulation.According to its characteristics,come up with the effective and improvement measures which could be the basis and theory of tacking welding arrangement when do erection work.The result of FEM analysis can be used to guide the design and improvement work of tacking welding arrangement during erection. Also it can improve the efficiency of shipbuilding.

Keywords Block erectionTacking welding arrangementFEMStrength analysis

0引言

船體分段的吊裝速度會直接影響船體建造塢期，對加快分段吊裝速度，縮短船舶建造塢期，提高大型吊車使用效率具有重要意義。船體分段吊裝定位焊是船舶分段吊裝的一個重要環(huán)節(jié)，其主要作用是保證分段吊裝松鉤到裝配結(jié)束這一階段，安全、穩(wěn)定的固定在吊裝位置上，確保分段不發(fā)生傾倒、沉降甚至掉落等安全和質(zhì)量事故。合理的定位焊布置不僅能快速地固定分段，還能減小分段變形，使分段定位數(shù)據(jù)控制在規(guī)范范圍內(nèi)。

近年來，相繼出現(xiàn)有介紹船體艏總段、上層建筑整體吊裝等主要針對吊裝過程中分段變形和吊耳強(qiáng)度分析的文章，但對于分段吊裝定位焊布置的關(guān)注仍比較少。本文利用MSC Patran & MSC Nastran軟件，以某散貨船舷側(cè)總段為例，對該總段吊裝定位焊布置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析計算，驗(yàn)證了基于有限元分析的船舶分段吊裝定位焊布置設(shè)計的可行性。

1分段定位焊布置及有限元模型

1.1分段定位焊布置

(605+606)S總段縱向從FR79-620至FR90-200，質(zhì)量為105 t,外形尺寸為17 640 mm×6 380 mm×8 920 mm。定位焊布置位置如圖1、表1所示。該總段吊裝到位后，向艉與604S分段連接，向下與305S、306S分段相接，與相鄰分段合攏口存在5～8 mm間隙。(605+606)S總段利用與604S、305S、306S之間的定位焊固定在理論位置上。分段定位焊布置要考慮分段質(zhì)量及重心，同時兼顧分段結(jié)構(gòu)來布置。分段定位焊布置原則與吊耳布置相似，要盡量對稱，布置在縱向強(qiáng)結(jié)構(gòu)與橫向強(qiáng)結(jié)構(gòu)交匯處，同時要充分考慮施工可行性。

圖1　定位焊布置示意圖

表1　定位焊布置方案　　　　　　　　　　　　　　　　　單位：mm

1.2有限元模型的建立

本文采用MSC Patran建立(605+606)S總段的三維有限元模型，采用右手坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于FR79船中位置，X軸以船艏方向?yàn)檎琘軸以左舷為正，Z軸以船高方向?yàn)檎＝Ｔ瓌t參照中國船級社《船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計算指南》[1]，并查找相關(guān)文獻(xiàn)[2～5]，模型有限元網(wǎng)格單元采用3節(jié)點(diǎn)與4節(jié)點(diǎn)板單元和偏心梁單元，網(wǎng)格縱向長度為肋距，橫向以及垂向長度為縱骨間距，模型板厚為建造厚度。船舶結(jié)構(gòu)材料為普通鋼及高強(qiáng)鋼，模型中涉及的材料參數(shù)：彈性模量E=2.10×105；密度ρ=7.85×10-9T/mm3；泊松比ν=0.3。圖2為總段有限元模型。

圖2　總段有限元模型

1.3質(zhì)量模型

本文主要研究定位焊構(gòu)件及船體結(jié)構(gòu)在重力作用下的應(yīng)力與變形。模型質(zhì)量通過給有限元單元賦屬性實(shí)現(xiàn)。模型質(zhì)量105 t，模型重心縱向位置為7 860 mm，橫向位置為-13 760 mm，垂向位置為13 750 mm，與Tribon統(tǒng)計的質(zhì)量及重心位置基本一致。

1.4邊界條件

分析計算時，僅考慮重力的影響，慣性載荷取g=-9 800 mm/s2，其余方向?yàn)?。A、B、C、D處T型材腹板與下方分段T型材腹板相接的節(jié)點(diǎn)約束x、y、z三個方向的線位移和角位移，甲板合攏口E、F處與604分段相接節(jié)點(diǎn)約束x、y、z三個方向的線位移和角位移，G處支柱下端節(jié)點(diǎn)約束x、y、z三個方向的線位移和角位移。

2結(jié)果

2.1初步定位焊方案的結(jié)構(gòu)相應(yīng)分析

考慮到安全因素，安全系數(shù)取n=1.5，因此，普通鋼和高強(qiáng)鋼的許用應(yīng)力如表2所示。

經(jīng)過有限元計算，總段在定位焊固定下，A-G處定位焊構(gòu)件及附近船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大，分段其余位置應(yīng)力較小。變形最大處位于支柱，最大位移3.22 mm，分段整體變形不大。分析計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)F處相當(dāng)應(yīng)力達(dá)到277 MPa，超過許用應(yīng)力，A、B、C 處T型材相當(dāng)應(yīng)力最大達(dá)到186 MPa，超出許用范圍。計算結(jié)果見表3及圖3～圖8。

表2　分段主要結(jié)構(gòu)材質(zhì)及許用應(yīng)力表　單位：MPa

表3　定位焊構(gòu)件有限元計算結(jié)果　　單位：MPa

圖3　總段應(yīng)力云圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4　A、B、C、D處應(yīng)力云圖

圖5　E處應(yīng)力云圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6　F處應(yīng)力云圖

圖7　G處應(yīng)力云圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖8　總段變形云圖

2.2新方案的結(jié)構(gòu)相應(yīng)分析

新方案中考慮船體結(jié)構(gòu)的材質(zhì)已定，采取增加定位焊布置點(diǎn)的方法改進(jìn)原方案。如圖9所示，在外板T型材定位焊布置點(diǎn)A、B之間FR82處增加同類型定位焊H，在C、D之間FR94處增加同類型定位焊I，以達(dá)到減小A、B、C三處應(yīng)力的目的。在甲板合攏口E、F之間DL3處增加同類型定位焊構(gòu)件J。新定位焊布置方案重新進(jìn)行分析計算后，A、B及H、I處最大相當(dāng)應(yīng)力降低到149 MPa，E、F、G、J處最大相當(dāng)應(yīng)力降低到198 MPa,各區(qū)域最大相當(dāng)應(yīng)力及變形都在安全范圍內(nèi)。新方案計算結(jié)果見表4及圖10～圖16。

表4　新方案定位焊構(gòu)件有限元計算結(jié)果　　　　　　　　　　　單位：MPa

圖9　新方案定位焊布置示意圖　　　　　　　　　　　　圖10　新方案總段應(yīng)力云圖

圖11　新方案E處應(yīng)力云圖　　　　　　　　　　　圖12　新方案A、B、C、D、H、I處應(yīng)力云圖

圖13　新方案F處應(yīng)力云圖　　　　　　　　　　　　　　　圖14　新方案J處應(yīng)力云圖

圖15　新方案G處應(yīng)力云圖　　　　　　　　　　　　　　圖16　新方案總段變形云圖

3結(jié)論

(1) 應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在定位焊構(gòu)件及其周邊，距離定位焊位置越遠(yuǎn)，分段變形越大，但變形程度較小，最大變形處發(fā)生在支柱。

(2) 合理的分段吊裝定位焊布置設(shè)計，將有利于分段的受力分布，有效降低分段定位焊布置位置的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并且提高分段定位的安全性。

(3) 有限元分析可以從結(jié)構(gòu)變形，應(yīng)力分布等方面科學(xué)地評價分段吊裝定位焊布置方案的可行性，并對方案進(jìn)行優(yōu)化，加快分段吊裝定位焊方案的確定，縮短船舶建造塢期。

參考文獻(xiàn)

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

中圖分類號U662

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡介：王先德(1984-)，男，碩士研究生，主要從事船體合攏及焊接研究。