復(fù)合材料上層建筑分段吊裝方案力學(xué)仿真分析

胡 劍，高 雙，朱 翔，李天勻

(華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

復(fù)合材料上層建筑分段吊裝方案力學(xué)仿真分析

胡 劍，高 雙，朱 翔，李天勻

(華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

采用有限元法對(duì)復(fù)合材料上層建筑分段吊裝過程進(jìn)行力學(xué)分析并提出合理的吊裝方案以控制吊裝過程中的變形和應(yīng)力。考慮到復(fù)合材料上層建筑的特點(diǎn)，建立鋼骨架和復(fù)合材料殼板組成的有限元模型，分析不同起吊約束對(duì)上層建筑變形的影響；選取偏于保守的約束條件，進(jìn)行加載求解。通過計(jì)算，對(duì)分段結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理加強(qiáng)，確保上層建筑在吊裝過程中不發(fā)生過大的變形和應(yīng)力。結(jié)合工藝要求，提出 4 種吊裝方案，計(jì)算每種吊裝方案下上層建筑分段的強(qiáng)度與剛度特性，優(yōu)選出較為合理的吊裝方案。在此基礎(chǔ)上還將上層建筑簡(jiǎn)化為鋼骨架模型，分析鋼骨架的變形和應(yīng)力，進(jìn)一步驗(yàn)證吊裝方的合理性，并校核連接鋼骨架和復(fù)合材料板格的螺栓強(qiáng)度，結(jié)合工程實(shí)際給出了最優(yōu)的吊裝方案。

復(fù)合材料；上層建筑；分段吊裝；有限元

0 引 言

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)由于具有良好的力學(xué)性能，已越來越多應(yīng)用于艦船結(jié)構(gòu)[1-2]。艦船的上層建筑在建造中有著較高要求，其外殼可以采用復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)。上層建筑采用分段建造吊裝，可提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、縮短建造周期、降低建造成本，但是復(fù)合材料上層建筑結(jié)構(gòu)具有復(fù)合材料板格尺度大、剛度小的特點(diǎn)，使得其相較于傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)艙段，有更高的吊裝工藝要求。吊裝前需要對(duì)分段添加的各類加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，這一方面會(huì)增加整個(gè)工程施工成本，另一方面對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)的焊接等工藝不可避免的會(huì)影響原始結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性[3]。如何保證分段在吊裝過程中的強(qiáng)度和變形要求，合理的設(shè)計(jì)起吊方案以及加強(qiáng)方案成為吊裝中的實(shí)際問題。

ZHANG J P 等[4]對(duì)大型船舶分段吊裝方案進(jìn)行研究，提出船舶分段吊裝的工藝要求和注意事項(xiàng)。楊永謙等[5]計(jì)算了上層建筑結(jié)構(gòu)在吊裝過程中的變形和應(yīng)力狀態(tài)，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較，為上層建筑進(jìn)行整體吊裝的可行性提供了依據(jù)。鐘興錦[3]運(yùn)用有限元分析軟件建立船舶分段模型，進(jìn)行強(qiáng)度分析，將有限元分析結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，制定出規(guī)范的分段吊裝計(jì)算方法。張延昌等[6]利用有限元軟件對(duì)油船上層建筑結(jié)構(gòu)在自重作用下的響應(yīng)進(jìn)行了分析，提出合理有效的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。李永正等[7]以某大型FPSO 為研究對(duì)象，利用有限元軟件對(duì)其上層建筑整體吊裝進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析。但是關(guān)于以復(fù)合材料為主體的復(fù)合材料上層建筑分段吊裝研究目前相對(duì)較少。

本文結(jié)合船舶的某一典型分段，通過有限元方法，分析復(fù)合材料上層建筑在吊裝過程中的強(qiáng)度與剛度特性，確保上層建筑分段在吊裝過程中，不發(fā)生較大的變形乃至破壞等問題；結(jié)合工程實(shí)際，給出合理的局部加強(qiáng)方案和最優(yōu)的吊裝方案。

1 復(fù)合材料板上層建筑模型

1.1 復(fù)合材料上層建筑建模

復(fù)合材料上層建筑在建造過程中，首先在內(nèi)場(chǎng)進(jìn)行分段建造，然后分段吊裝上船臺(tái)，本文以某一典型分段（見圖 1）為例介紹其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。分段結(jié)構(gòu)是由復(fù)合材料殼板和鋼制骨架組合而成，按設(shè)計(jì)要求焊接好鋼骨架后，將預(yù)制好的復(fù)合材料板格鋪設(shè)于鋼骨架之上，并與鋼結(jié)構(gòu)梁通過螺栓進(jìn)行連接。鋪設(shè)的復(fù)合材料板為 3 層夾芯板結(jié)構(gòu)，外部 2 層為層合板，中間層為 PVC 泡沫材料。

圖 1 上層建筑示意圖Fig. 1 Schematic diagram of superstructure

由于本文主要考慮在吊裝過程中分段的變形控制和應(yīng)力控制，而螺栓本身的剛度很大，對(duì)于整個(gè)分段吊裝力學(xué)性能而言，螺栓的影響較小。同時(shí)，由于實(shí)際分段中殼板安裝在鋼骨架上所用的螺栓的數(shù)量很多，且螺栓與骨架連接部位都存在復(fù)雜的接觸關(guān)系，因此有必要對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。在有限元模型中，并不直接建立螺栓結(jié)構(gòu)，但考慮其質(zhì)量，將其質(zhì)量分?jǐn)偟街螐?fù)合材料殼板的鋼骨架上。同時(shí)考慮到焊接[8]等工藝因素，對(duì)鋼骨架密度進(jìn)行調(diào)整，保證分段質(zhì)量合理準(zhǔn)確。

簡(jiǎn)化后的有限元模型中鋼骨架采用梁?jiǎn)卧瑥?fù)合材料殼板采用復(fù)合材料板單元。單元長(zhǎng)度劃分為 30 mm，并通過試算檢驗(yàn)了網(wǎng)格大小的合理性，有限元模型如圖 2 所示。

圖 2 上層建筑有限元模型Fig. 2 The FEM model of superstructure

1.2 約束條件及載荷的確定

不同的起吊方式對(duì)上層建筑吊裝過程中的力學(xué)特性影響不同，為了在有限元仿真計(jì)算中選擇較為合理的起吊約束方式，需選擇不同的起吊約束方案進(jìn)行對(duì)比計(jì)算（有限元模型中約束點(diǎn)的位置即為初選的起吊點(diǎn)）。由于復(fù)合材料板是以螺栓連接的方式安裝在鋼骨架上，考慮到需要在分段上焊接起吊工裝，起吊點(diǎn)只能選擇在鋼骨架上。對(duì)不同的起吊約束模型方案進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，從中選取偏于保守的方案作為有限元模型計(jì)算的約束方案。

首先初步設(shè)定起吊點(diǎn)在縱橫鋼骨架的 4 個(gè)交點(diǎn)上，如圖 3 所示。圖 3 和圖 4 分別給出了 2 種起吊約束方案。圖 3 中，在高于分段平面 5 m 處設(shè)置“固定”的假設(shè)吊鉤點(diǎn)，將分段上的 4 個(gè)起吊點(diǎn)和吊鉤所在的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行 x、y 和 z 三個(gè)方向的平動(dòng)耦合約束（約束方案 1）；圖 4 中，對(duì)分段的 4 個(gè)吊裝點(diǎn)，僅約束豎直方向上的位移（約束方案 2），相當(dāng)于吊鉤點(diǎn)位于分段正上方的無窮遠(yuǎn)處。

圖 3 上層建筑分段吊裝點(diǎn)平動(dòng)耦合約束Fig. 3 The translational coupling constraints of superstructure subsection hoisting point

圖 4 上層建筑分段吊裝點(diǎn)的豎直約束Fig. 4 The vertical constraints of block hoisting point

在起吊計(jì)算中，根據(jù)船舶上層建筑吊裝規(guī)范[9]，考慮起吊加速度帶來的慣性載荷影響，取垂向重力加速度為 1.1 g（g 為重力加速度），其余方向?yàn)?0。由于起吊作業(yè)過程比較緩慢，因此可以認(rèn)為是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)的過程，對(duì)模型進(jìn)行靜力分析，并選取 Mises 應(yīng)力和合成位移作為應(yīng)力和變形的參考值。

對(duì)于復(fù)合材料板組成的上層建筑，吊裝中主要考慮鋼骨架以及復(fù)合材料殼板的變形。若復(fù)合材料板吊裝時(shí)變形過大，有可能不利于后續(xù)安裝，甚至對(duì)復(fù)合材料板產(chǎn)生破壞。因此分段吊裝的主要參考指標(biāo)為板格的變形，工程要求變形小于 6 mm，同時(shí)兼顧結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平。

上層建筑分段在 2 種約束方案下分別進(jìn)行了靜力計(jì)算，其計(jì)算應(yīng)力與位移結(jié)果如圖 5 和圖 6 所示。

圖 5 上層建筑分段采用約束方案 1 的應(yīng)力和位移云圖Fig. 5 The Mises stress and Magnitude displacement nephogram of hoisting plan 1

圖 6 上層建筑分段采用約束方案 2 的應(yīng)力和位移云圖Fig. 6 The Mises stress and Magnitude displacement nephogram of hoisting plan 2

由圖 5 和圖 6 結(jié)果對(duì)比可知：對(duì)于起吊點(diǎn)豎直約束（方案 2）的情況，最大合成位移為 17 mm，位置在邊界的板格自由邊上；而方案 1 的耦合約束方案中板格最大合成位移 15 mm，可見方案 2 豎直起吊約束會(huì)使計(jì)算結(jié)果偏大。和方案 2 中的豎直約束相比，因?yàn)榧s束方案 1 會(huì)使得吊索產(chǎn)生較大的橫向力，該力會(huì)抑制板格的變形。因此，應(yīng)選取偏于保守結(jié)果的約束方案，即在分段的吊點(diǎn)上都采用施加豎直方向的約束作為邊界條件。

1.3 加強(qiáng)方案的確定

從 1.2 節(jié)分析可知，分段的殼板結(jié)構(gòu)依然有 17 mm的靜變形，與工藝要求的最大變形控制在 6 mm 以內(nèi)相差甚遠(yuǎn)，故有必要對(duì)分段進(jìn)行局部加強(qiáng)。由圖 5 和圖 6 位移云圖可知分段的最大位移均發(fā)生在自由邊界，綜合考慮實(shí)際中的吊裝工藝，有必要在分段結(jié)構(gòu)的自由邊上進(jìn)行加強(qiáng)，加強(qiáng)方案如圖 7 所示（圖中粗黑線標(biāo)出）。考慮到實(shí)際工藝，選取 16 a 槽鋼加強(qiáng)，其加強(qiáng)后的效果如圖 8 所示。

圖 7 上層建筑分段的加強(qiáng)方案Fig. 7 The reinforce plan of superstructure subsection

圖 8 上層建筑分段加強(qiáng)后效果圖Fig. 8 The figure of superstructure subsection after strengthened

2 復(fù)合材料板上層建筑吊裝方案分析計(jì)算

根據(jù)前文選擇的加強(qiáng)和起吊方式，需要選擇合理的起吊點(diǎn)位置，確保起吊過程中分段的應(yīng)力和變形都比較小，從而確定起吊方案。考慮工藝易于實(shí)現(xiàn)，選取的起吊點(diǎn)位置主要分布在上層建筑的鋼骨架相交處以及結(jié)構(gòu)的水平方向的鋼骨架上。提出 4 種吊裝方案：方案 1 起吊點(diǎn)位于中間骨材交點(diǎn)處，方案 2 起吊點(diǎn)位于邊界骨材交點(diǎn)處，方案 3 起吊點(diǎn)位于中間骨材與邊界骨材中點(diǎn)處（1/2 位置），方案 4 起吊點(diǎn)位于中間骨材與邊界骨材靠近中間 1/4 位置處，各方案如圖 9所示。

圖 9 上層建筑分段吊裝方案Fig. 9 The hoisting plan of superstructure subsection

為防止分段在吊裝過程中發(fā)生側(cè)翻，要求分段重心落在 4 個(gè)吊點(diǎn)組成的平面的豎直投影范圍內(nèi)。經(jīng)計(jì)算，以上提出的各方案均滿足此要求。

由表 1 及圖 10 應(yīng)力和變形云圖可知，上層建筑分段在不同的吊裝方案中，吊裝應(yīng)力均遠(yuǎn)小于鋼結(jié)構(gòu)的屈服應(yīng)力。比較 4 種吊裝方案，方案 3 和方案 4 均為較優(yōu)結(jié)果，應(yīng)力變形條件均滿足吊裝工藝要求，方案3 最大變形位于中部水平板上，方案 4 最大變形位于兩側(cè)水平板，考慮到在實(shí)際吊裝過程中，由于繩索與板面存在夾角，故會(huì)在一定程度上會(huì)減小板兩側(cè)的變形，而會(huì)加大板中部的變形，故在實(shí)際吊裝過程中，方案 4 較方案 3 更優(yōu)。

圖 10 上層建筑分段四種吊裝方案下的應(yīng)力云圖及變形云圖Fig. 10 The Mises stress and Magnitude displacement nephogram of superstructure subsection for four hoisting plans

表 1 上層建筑分段吊裝計(jì)算結(jié)果Tab. 1 Summary of structure stress and deformation calculation results caused by lifting

3 上層建筑鋼骨架力學(xué)性能分析

上節(jié)主要計(jì)算了上層建筑分段整體在吊裝過程中的板格變形，并通過計(jì)算結(jié)果討論，給出了上層建筑分段的預(yù)選起吊方案。然而，由于對(duì)模型螺栓連接進(jìn)行的簡(jiǎn)化處理使得有限元仿真模型的剛度增大，因此本節(jié)考慮將模型中的復(fù)合材料板移除，但將其質(zhì)量通過調(diào)整鋼骨架密度的方式分?jǐn)偟缴蠈咏ㄖ匿摴羌苌稀＿@樣，在保持模型總質(zhì)量不變的情況下，移除了復(fù)合殼板部分的剛度，使得整個(gè)分段的剛度僅由鋼骨架來承擔(dān)，故計(jì)算出的結(jié)果偏于保守和安全。以此來考察鋼骨架在吊裝過程中是否會(huì)產(chǎn)生過大的變形。如圖 11 所示，為上層建筑分段的全鋼骨架有限元模型，通過改變鋼骨架的密度，將復(fù)合材料殼板及螺栓的質(zhì)量分?jǐn)偟戒摴羌苌稀?/p>

圖 11 上層建筑分段全鋼骨架模型Fig. 11 The steel skeleton model of block

由表 2 及圖 13 應(yīng)力變形云圖可知，對(duì)于鋼骨架結(jié)構(gòu)，吊裝過程中的應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼結(jié)構(gòu)的屈服應(yīng)力。比較 4 種吊裝方案，方案 3 和方案 4 均為較優(yōu)結(jié)果，這與整體吊裝計(jì)算的結(jié)果一致；同樣，方案 3 最大變形位于骨材上下邊中部，方案 4 最大變形位于骨材上下邊四角。在實(shí)際吊裝過程中，由于起吊的繩索與板面存在角度，故會(huì)在一定程度上減小板兩側(cè)的變形。同時(shí)考慮到上節(jié)整體計(jì)算中板格的變形，可以確定上層建筑分段吊裝方案 4 為最優(yōu)方案。從以上計(jì)算結(jié)果中可見，在偏于保守的計(jì)算中，提出的方案滿足工藝要求，進(jìn)一步說明了加強(qiáng)方案和起吊方案的合理性。

4 螺栓強(qiáng)度校核

上層建筑復(fù)合材料板與鋼骨架是以螺栓連接，因此有必要校核上層建筑吊裝過程中螺栓的強(qiáng)度。通過靜力計(jì)算的結(jié)果提取 4 個(gè)吊點(diǎn)的支反力，取吊繩和分段平面的夾角為 60°，則可以得到垂向力和切向力，由于每個(gè)吊點(diǎn)位置布置有 4 個(gè)螺栓，選取危險(xiǎn)的情況，假設(shè) 4 個(gè)中只有 2 個(gè)受力，計(jì)算出每個(gè)螺栓所受的拉應(yīng)力、切應(yīng)力和擠壓應(yīng)力分別為 22.814 MPa，13.171 MPa和 7.898 MPa。

表 2 上層建筑分段骨架計(jì)算結(jié)果Tab. 2 Summary of structure stress and deformation calculation results caused by lifting

圖 12 上層建筑分段骨架 4 種吊裝方案下的應(yīng)力云圖及變形云圖Fig. 12 The Mises stress and Magnitude displacement nephogram of steel skeleton models for four hoisting plans

上層建筑采用的螺栓為 8.8 級(jí)螺栓，查詢規(guī)范取安全系數(shù)為 3，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得螺栓的許用切應(yīng)力為，許用擠壓應(yīng)力為，則可計(jì)算出該螺栓的許用拉應(yīng)力、剪切應(yīng)力和擠壓應(yīng)力分別為 213 MPa，85 MPa，171 MPa。由此可知，該吊裝過程中螺栓的強(qiáng)度滿足要求。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合艦船典型復(fù)合材料分段的吊裝工藝，通過有限元方法，分析了復(fù)合材料上層建筑分段吊裝過程中的力學(xué)特性，選擇了較為合理的加強(qiáng)方案和吊裝方案，結(jié)合工程實(shí)際給出了優(yōu)選的吊裝方案并得到如下結(jié)論：

1）對(duì)上層建筑吊裝過程而言，自由邊會(huì)產(chǎn)生較大的變形，因此需要對(duì)自由邊進(jìn)行加強(qiáng)，經(jīng)計(jì)算 16 a 槽鋼滿足要求。

2）針對(duì)上層建筑分段，提出了 4 個(gè)吊裝方案，對(duì)比分析應(yīng)力和變形并考慮最大變形位置，選擇了方案 4，為工程實(shí)際吊裝提供參考。

3）將復(fù)合材料板和螺栓結(jié)構(gòu)均簡(jiǎn)化到鋼骨架上，進(jìn)行偏危險(xiǎn)的吊裝方案計(jì)算，為實(shí)際吊裝提供進(jìn)一步參考。實(shí)際施工過程中采用本文給出的吊裝方案，順利完成了分段吊裝任務(wù)。

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Mechanical simulation analysis of the block lifting scheme of composite superstructure

HU Jian, GAO Shuang, ZHU Xiang, LI Tian-yun
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

To control the deformation and stress of the lifting subsection, the finite element method is used to analyze the composite superstructure subsection and the reasonable lifting plans are put forward. Considering the characteristics of composite materials superstructure, under different constraint conditions, the response of superstructure is studied. To avoid problems of large deformation and stress in the process of lifting, the hoisting structures are modified and reinforced reasonably after calculation. For the four hoisting plans, the strength and rigidity characteristics of the superstructures are calculated correspondingly and the reasonable lifting schemes are chosen. To verify the different lifting schemes, the steel frames which are simplified from the composite superstructure block are calculated. The strength of bolts are checked. Combining with practical engineering, the optimal lifting scheme is given at last.

composite materials；ship superstructure；block lifting；finite element method

U663.1

A

1672 - 7619(2017)02 - 0042 - 06

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.008

2016 - 05 - 06；

2016 - 06 - 21

船舶預(yù)研支撐技術(shù)基金資助項(xiàng)目（13J1.3.2）

胡劍(1978 - )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇敖Y(jié)構(gòu)力學(xué)。