平面分段吊運變形及加強分析

吳曉東++呂巖

摘 要：以船舶平面分段為研究對象，采用有限元方法分析分段結構參數(shù)和吊運方案對分段吊運過程中結構件應力、變形的影響規(guī)律，從而實現(xiàn)吊運過程中分段變形的準確預測和有效控制，避免船舶平面分段在吊運過程中發(fā)生破壞。

關鍵詞：平面分段；分段吊運；變形分析；有限元方法

中圖分類號：U671.4 文獻標識碼：A

Analysis on Flat Blocks Deformation and Reinforcement

WU Xiaodong，Lu Yan

（Guangzhou Shipyard International Company Limited， Guangzhou 510250）

Abstract：This paper analyzes the influence of structural parameters and lifting method of ship flat blocks on the structural force and deformation of the flat blocks during lifting by using FEM to effectively forecast and control the deformation of the flat blocks.

Key words：Flat Block； Block Lifting； Deformation analysis； Finite element method

1 前言

分段的翻身和吊運是船體建造中的一個重要工序。為保證分段、設備、人員的安全， 避免分段發(fā)生嚴重變形和損壞，分段吊運前需對吊運工藝進行分析計算。分段結構強度有限元分析是預防吊運事故的有效方法，上層建筑整體吊裝、散貨船舷側總段翻身、吊運等過程中產(chǎn)生的應力、變形情況都可通過有限元分析方法求得。本文以一種典型分段——平面分段為研究對象，采用有限元方法對吊運過程進行計算分析，研究分段結構參數(shù)和吊運方案對分段結構件應力、變形的影響規(guī)律，實現(xiàn)吊運過程中分段變形的準確預測和有效控制。

2 橫艙壁分段吊運變形計算

以6 000 t級內河散貨船的一個橫艙壁分段為研究對象，使用三維有限元軟件進行建模計算，研究分段吊運過程中的應力、變形情況。

2.1 分段簡介

該分段由艙壁板、若干豎直扶強材和一道水平桁組成，如圖1所示。吊運過程中扶強材主要承受彎曲載荷，為便于計算研究，將角鋼按剖面模數(shù)相等折算為T型材。分段具體尺寸參數(shù)見表1。

吊運過程中分段的受力特征為：（1）分段由兩條吊繩懸掛于空中，處于靜平衡狀態(tài)；（2）分段吊運過程中只受重力與吊繩拉力作用；（3）偏心作用使分段產(chǎn)生變形，其中以分段上端中間部分的變形為 最明顯。

2.2 有限元模型建立

建立該橫艙壁分段的三維有限元模型。

分段上半部份受吊繩作用將產(chǎn)生較大變形，所以分段上部網(wǎng)格較下部細。艙壁板選用板單元，上半部份單元尺寸為150 mm×150 mm，下半部份為150 mm×300 mm。豎直方向每檔各設一道T型材，水平方向只在分段中央設一道T型材。扶強材與水平桁選用梁單元，它們的單元尺寸與板單元協(xié)調。該分段結構有限元模型如圖2所示。

2.3 邊界條件與載荷施加

（1）右側吊點節(jié)點局部坐標系逆時針旋轉90o-θ（θ為吊角），左側吊點節(jié)點局部坐標系逆時針旋轉θ；

（2）右側吊點節(jié)點約束Y方向位移、Y方向轉角、Z方向位移；

（3）左側吊點節(jié)點約束X方向位移、X方向轉角、Z方向位移；

（4）模型整體加重力加速度g=9 810 mm/s2。

2.4 計算結果及分析

（1）應力計算結果

平面分段吊運過程的結構響應由重力及吊繩拉力引起，吊點附近應力達到最大值92.7 MPa，遠離吊點處應力較小，計算得出應力云圖如圖3所示。

（2）位移計算結果

計算得出位移云圖如圖4所示，最大位移為190.4 mm。

變形在垂直于分段平面方向上最明顯。分段上端中間部分變形最大，此處相對吊點的撓度達16.5 mm。

3 平面分段吊運變形的參數(shù)化分析

3.1 平面分段參數(shù)

（1）板材尺寸：板寬、板高、板厚、豎直扶強材間距；

（2）T型材截面尺寸：腹板高、腹板厚、面板寬、面板厚；

（3）吊運參數(shù)：吊點位置、吊角；

（4）加強參數(shù)：加強材截面尺寸、加強位置。

3.2 有限元軟件二次開發(fā)

因計算工作量較大，通過對有限元軟件進行二次開發(fā)來完成計算工作。

基于參數(shù)化設計語言進行二次開發(fā)，使用VB.NET編寫的計算程序通過有限元軟件腳本控制主程序，并與主程序交換數(shù)據(jù)。程序架構如圖5所示。

4 變形規(guī)律及加強分析

分析參數(shù)化計算得出的大量數(shù)據(jù)，總結各參數(shù)對板架變形的影響規(guī)律。

4.1 板參數(shù)影響

（1）板寬、豎直扶強材間距

板寬、豎直扶強材間距的變化將引起骨材數(shù)量、吊點位置的改變。板寬、豎直扶強材間距對分段變形的影響無明顯規(guī)律。

（2）板厚

變形隨板厚增加而減小，板厚與分段變形間關系如圖6所示。

（3）板高

板高與分段變形間關系如圖7所示。變形隨板高增加不斷增加，且板高大于5 000 mm時變形與板高呈線性關系。

5 結論

綜合以上分析，得出以下結論：

（1）平面分段吊運過程的結構響應由重力及吊繩拉力引起，應力在吊點附近最大，遠離吊點應力較小；變形在垂直于分段平面方向上最明顯，且分段上邊線中心處變形最大，可用該點垂直于分段平面方向上的位移作為評價分段吊運過程變形大小的指標；

（2）當板厚增大時變形減小，板高增大時變形將增大；板寬、豎直扶強材間距的變化將導致骨型材數(shù)量、吊點位置的改變，板寬、豎直扶強材間距對分段變形影響沒有明顯規(guī)律；

（3）T型材參數(shù)會影響分段變形：腹板高度增大時變形將增大，面板寬度、面板厚度的增大將使變形減??；腹板厚度與變形間的關系呈一開口向下的拋物線形；

（4）為減小變形，在工藝條件滿足時吊點應適當向內布置；

（5）水平加強材應布置在分段中線以上，且布置在3/4板高以上時加強效果較好；同時加強材截面尺寸的增大將使分段變形減小。

平面分段形式多樣、尺寸多變、吊運工況復雜，簡化、處理方法的偏差往往對結果造成不良影響。如：吊點邊界條件的選擇將影響分段的應力、位移分布；吊角的處理方法可能影響吊點附近應力、位移；分段結構尺寸范圍的選擇可能改變結構尺寸與分段位移的變化規(guī)律等。

本文尚存在許多不足之處，需要繼續(xù)不斷深入研究并接受實踐的檢驗。

參考文獻

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