基于分段吊裝工藝的有限元分析

芮曉松，刁海兵

(1.中航鼎衡造船有限公司，江蘇 江都 225217；2.江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212003)

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基于分段吊裝工藝的有限元分析

芮曉松1，刁海兵2

(1.中航鼎衡造船有限公司，江蘇 江都 225217；2.江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212003)

基于有限元TSV仿真軟件建立15 000 DWT化學品船機艙241+242分段的弱框架結構有限元模型，計算分析得到該分段在吊裝翻身過程中最大拉應力和最大剪應力均滿足規范要求，但是Fr26處的變形最大，變形量達到3 050 mm。采用有限元分析方法得到機艙分段吊裝時的應力分布和結構變形后，所提出的分段吊裝改進措施合理有效，并驗證了提出的局部結構加強吊裝方案的合理性、安全性。

分段吊裝；有限元計算；強度分析；吊裝變形

0 引言

由于全球經濟技術發展的不斷進步，現代船舶工業已經成為勞動密集性、資本密集性、技術密集性和信息密集性的大型裝備制造業[1]。

當前，現代造船普通采用分段建造工藝，分段的吊運和翻身已成為船體建造中的一個重要工序。但是，吊裝事故頻繁發生，在船舶建造事故中占較大比重，因而加快對吊裝工藝的設計研究已刻不容緩。船體分段的吊裝方案需要綜合考慮分段的結構特點、外形尺寸、重量、重心位置，以及起吊設備的起吊能力、起吊場地、吊碼布置及主副鉤和卸扣的選擇等因素[2]。船舶機艙及上建分段結構復雜、體積和重量都較大，結構外形多變，而起吊位置處的結構又相對較弱，剛性不足；這些分段還需要安裝大量的舾裝件，使得重量及重心的估算不精準，容易造成結構塑性變形，發生分段墜落等事故。如何保證分段的起吊安全，是分段吊裝需要著重解決的問題。

近年來,許多學者對船舶機艙及上建分段的整體吊裝技術進行了大量的研究。例如，黃興群等[3]應用有限元技術對外高橋船廠的108 000 DWT油輪的5層上層建筑進行應力變形分析并改進上層建筑分段的完整性吊裝工藝；陸振輝等[4]憑借多年來的工作經驗，重點研究分析有關化學品船的上層建筑完整性吊裝，最終攻克由于化學品船的上層建筑鋼板薄、跨度大等原因造成的上層建筑整體吊裝工藝難點；吳仲其等[5]對分段重心進行計算并論證吊環的布置位置，研究設計出1套高效的船舶吊裝翻身工藝方案；龔慶德等[6]針對傳統機艙底層單元吊裝過程的不足，提出該分段的吊裝工藝改進方案，使得吊裝過程中的變形問題得到解決。

通過有限元仿真建模分析的方法來優化吊裝處結構、控制結構強度較弱部位的變形從而消除起吊過程中發生的結構塑性變形、板筋撕裂、分段姿態失控等事故，是最常使用的船舶分段吊裝方案研究途徑。本文使用有限元分析TSV(TechnoStar Venus，TSV)軟件對15 000 DWT化學品船機艙241+242分段進行吊裝仿真，并對吊裝過程的薄弱部位提出合理的吊裝方案，以提高吊裝安全性。

1 分段有限元模型構建及計算

1.1 有限元模型

有限元模型使用TSV軟件完成。建立有限元模型所依據的圖紙為15 000 DWT化學品船機艙241+242分段,其板厚分布圖如圖1所示。分段板厚分布于6～15 mm，弱框架大平板結構主要集中在6～10 mm區間范圍內。

1.2 具體吊裝設置

吊耳根據所起重的重量、重心位置和起吊設備相關參數進行設定。為保證起吊過程中預組分段整體受力平衡，確保吊耳能承受的力集中在主要圍壁板、桁材及其他強結構進行傳遞，防止薄弱部位變形[8]。吊裝吊點布置如圖2所示。

1.3有限元計算載荷分析

本分段在吊裝前主要受到的載荷來自于船體分

段及舾裝件的自重，對于起吊時的加速度和風力等其他因素引起的載荷不作考慮，即僅考慮重力的影響。慣性載荷取：az=g=9.8 m/s2，其余方向為0。起吊時考慮沖擊載荷的影響，在型深方向取az=1.1g=10.78 m/s2，其余方向為0。TSV軟件中吊點布置圖如圖3所示。

1.4 計算結果分析

分段材料采用A級鋼，其參數為：最大許用拉應力188 MPa，最大許用剪應力112.8 MPa。

圖1 分段板厚分布圖

圖2 分段吊點布置圖

圖3 TSV軟件中吊點布置圖

從圖4可以看出，該分段在整個翻身過程中最大拉應力為147 MPa，小于材料的屈服強度188 MPa，因此可以認為該分段在翻身搭載過程中拉應力方面安全。

從圖5可以看出，該煙囪分段在整個搭載過程中最大剪應力為74 MPa，小于材料的最大許用剪切強度112.8 MPa，因此可以認為該分段在翻身過程中剪應力方面安全。

從圖6可以看出，分段Fr26在整個翻身過程中最大變形量為3 050 mm，超出規范關于“變形量為分段總長的1/800”的要求，因此可以認為該分段在翻身過程中Fr26處變形較大。因為Fr26處下沿為自由邊，無任何約束，但是由于此分段區域其拉應力小于其屈服強度，因此可認為該部分會發生彈性變形，在吊裝結束后會發生回彈現象，但仍建議在其下沿進行加強。

圖4 TSV分析結果—拉應力部分

圖5 TSV分析結果—剪應力部分

圖6 TSV分析結果—變形部分

2 吊裝方案改進

2.1 吊裝加強材料使用

在分段吊裝過程中，通過采用增加加強材的方法保證分段吊裝過程中不產生船體結構變形情況。為了增加剛性，減少吊裝過程中彎矩對橫向變形的影響，該分段吊裝時在Fr26、Fr32處采用H型鋼和圓鋼進行加強，在Fr11處對吊點位置大開口自由端加強；Fr18處對吊點位置大開孔艙壁加強，增加上端部的剛度，減少吊裝剪切力變形。

2.2 有限元分析

圖7～圖8為在TSV軟件中的吊裝分段加強。

從圖8看出，分段在整個翻身過程中最大變形從3 050 mm降到260 mm，而且位置并不在Fr26處。Fr26處的變形變為160 mm，因此可以認為該分段在翻身過程中Fr26處變形大大減小。

圖7 TSV中結構加強圖

圖8 TSV分析結果—變形部分(加強后)

3 結論

(1)通過對15 000 DWT化學品船機艙241+242分段吊裝案例的分析，成功進行了弱框架分段的吊裝。利用TSV軟件進行有限元仿真計算的方法，可以更直觀地對分段吊裝過程中各種變形及變力情況進行有效分析，對后續船分段的吊裝具有實用和借鑒意義。

(2)通過增加加強材改進分段吊裝方案后，分段在整個翻身過程中最大變形由原來的3 050 mm降到260 mm，其中Fr26處的變形量降幅最大。

(3)基于有限元仿真技術的分段吊裝，使吊裝工藝更科學、安全，縮短了建造時間，提高了生產效率，向智能化生產的方向邁進了一步。

[1] 白璐.船舶分段吊裝方案自動化設計方法研究[D].大連：大連理工大學，2013：5-10.

[2] 王先德,羅宇,鐘志平.基于有限元分析的船舶分段吊裝定位焊布置設計[J].造船技術,2016(1):23-25.

[3] 黃興群.上層建筑完整性整體吊裝工藝研究[D].上海：上海交通大學，2006：13-18.

[4] 陸振輝.船舶上層建筑完整性吊裝探索[C]//中國鋼結構協會.2012年中國鋼結構大會論文集.北京：中國鋼結構協會：2012:239-243.

[5] 吳仲其.船體分段吊裝工藝[J].江蘇船舶，1990，7(2):19-22.

[6] 龔慶德.機艙底層大型單元的吊裝工藝優化[J].廣東造船，2010(3)：44-46.

[7] 張小名.船舶分段吊裝方案自動化設計方法研究及程序開發[D].大連：大連理工大學,2014：8-11.

[8] 張宏玲.船體分段吊裝工藝研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2010：18-21.

2016-11-10

江蘇省科技成果轉化項目(BA2016145)

芮曉松(1978—)，男，高級工程師，主要從事船舶技術管理工作；刁海兵(1992—)，男，碩士研究生，主要從事船舶輪機設備及系統的先進設計與制造。

U661.43

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