汽車運(yùn)輸船大型車庫(kù)立體總段吊裝可行性研究

柳向陽(yáng)+黃偉江

摘 要：汽車運(yùn)輸船的車庫(kù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為甲板層數(shù)多，結(jié)構(gòu)薄弱，支撐少。建造不利于擴(kuò)大總段，因此一般采取了片體總段的做法。本文通過(guò)有限元手段對(duì)起重狀態(tài)下的大型立體車庫(kù)總段進(jìn)行應(yīng)力和變形量分析，優(yōu)化吊點(diǎn)和支撐位置，使大型車庫(kù)立體總段得到實(shí)際應(yīng)用。縮短了汽車運(yùn)輸船建造的船塢周期，為順利交船創(chuàng)造了條件。

關(guān)鍵詞：大型汽車運(yùn)輸船，大型立體總段，有限元，應(yīng)力，柔性結(jié)構(gòu)，變形量，吊碼

中圖分類號(hào)：U674.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2017）06-0042-02

近年，汽車運(yùn)輸船的訂單時(shí)有生效，但造價(jià)今非昔比，針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建造工作量巨大的汽車運(yùn)輸船，縮建周期，降低建造成本成為船廠必須解決的問(wèn)題。

大型汽車運(yùn)輸船車庫(kù)區(qū)片體分段數(shù)量多達(dá)300多片，傳統(tǒng)建造采用塢內(nèi)井式建造法，即將車庫(kù)外板片體總段吊裝后，逐層吊裝甲板片體總段，這種建造方法塢內(nèi)焊接工作量巨大，船塢周期長(zhǎng)。且由于在封閉甲板空間進(jìn)行大量的焊接，導(dǎo)致施工環(huán)境極差，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和工人健康產(chǎn)生很大影響。若將車庫(kù)區(qū)總組為立體環(huán)形總段，能夠避免在船塢內(nèi)焊接各層甲板與舷側(cè)外板，且總段兩端是開(kāi)敞的，能夠改善施工環(huán)境，提高施工效率和焊接質(zhì)量。但由于大型汽車運(yùn)輸船車輛甲板板厚只有6-7mm，并且只有1-2排支柱支撐，總段起吊時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形很容易超標(biāo)，產(chǎn)生車庫(kù)層高不足，支柱對(duì)接精度不良及合攏口線型不光順等問(wèn)題。這是本文主要論述和要解決的問(wèn)題。

1 總體分析

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

本文研究的某大型汽車運(yùn)輸船的車庫(kù)區(qū)結(jié)構(gòu)為柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（甲板強(qiáng)橫梁和舷側(cè)強(qiáng)肋骨錯(cuò)位安裝），雙縱桁，雙支柱，車輛甲板的厚度為7mm。研究總段（下稱總段）有四層甲板，長(zhǎng)寬高尺寸為：45.25×36.45×9.9米，柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和較大的跨距是產(chǎn)生變形的主要因素。

1.2 總段重量

該典型立體車庫(kù)總段由6個(gè)車庫(kù)舷側(cè)分段，24個(gè)甲板片體分段合攏而成，經(jīng)生產(chǎn)設(shè)計(jì)后提取的典型立體車庫(kù)結(jié)構(gòu)重量771噸，舾裝件重量87噸，吊排及索具160噸，合計(jì)1018噸。本船建造船塢和總組場(chǎng)地配有兩臺(tái)600噸龍門(mén)吊車，兩車聯(lián)吊最大起重1020噸。起重重量沒(méi)有超出吊車最大起重能力。

1.3 吊車布置參數(shù)要求

根據(jù)吊車技術(shù)規(guī)格書(shū)要求，上小車間距為15.14米，兩臺(tái)吊車聯(lián)合起重的最小間距為23米。起重總段長(zhǎng)度不小于38.13米，本總段長(zhǎng)度45.25米，長(zhǎng)度滿足兩車聯(lián)吊要求。

2 吊裝方案

2.1 吊裝方案一

該型汽車運(yùn)輸船左右舷各設(shè)置了一道縱桁，間距支柱設(shè)置在該縱桁上，主結(jié)構(gòu)連續(xù)性好，臨時(shí)支撐少。因此優(yōu)先選擇將吊點(diǎn)布置在這兩道縱桁上。上小車每個(gè)吊排下布置4只吊碼，下小車布置8只吊碼，左右舷6750縱桁各16只吊，共32只吊馬，每只吊碼受力約26.8噸，吊碼選擇40噸級(jí)A型吊碼。

總段吊裝時(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要由它本身的重量引起，因此完整的分析應(yīng)包含吊裝前、后結(jié)構(gòu)響應(yīng)和吊裝中結(jié)構(gòu)響應(yīng)，但吊裝中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力破壞力最強(qiáng)，因此本文選擇吊裝作過(guò)程中來(lái)研究總段吊裝狀態(tài)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

考慮吊裝時(shí)沖擊載荷及橫風(fēng)和不平衡吊裝影響，在計(jì)算吊裝時(shí)的慣性載荷，在型深方向取aZ=1.1g=10.78kgm/s2，其余方向?yàn)?。相應(yīng)的垂向載荷為9438kN，其余方向載荷為0；

有限元模型吊點(diǎn)設(shè)置與實(shí)際吊裝中吊點(diǎn)布置相符合，邊界條件設(shè)定在吊點(diǎn)處，約束每個(gè)吊點(diǎn)的X，Y平動(dòng)和所有轉(zhuǎn)動(dòng)5等個(gè)自由度，吊點(diǎn)處允許垂向位移。

方案一計(jì)算后的應(yīng)力如圖1所示，由于所有吊點(diǎn)都布置在6750縱桁處，且上下連接只有少量幾根支柱，最大應(yīng)力發(fā)生支柱與縱桁相連處，其應(yīng)最高為249MPa。接近AH36材質(zhì)的規(guī)范許用值，容易損壞結(jié)構(gòu)。

總段變形云圖如圖2所示，根據(jù)變形云圖可知，總段最大變形量達(dá)153mm，各層甲板的形變量由頂層向底層逐層遞減，頂層甲板的變形最大。甲板面設(shè)置吊耳處的形變率較大均超過(guò)3/1000。在吊裝過(guò)程中會(huì)破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)和預(yù)裝管子，且吊裝后結(jié)構(gòu)容易發(fā)生不可回彈的變形。

因此，方案一由于應(yīng)力、變形量過(guò)大，無(wú)法滿足建造要求。

經(jīng)分析，方案一產(chǎn)生較大應(yīng)力和變形的原因和解決方案如下：

（1）吊點(diǎn)將總段橫向切分為三段，間距分別為11.48米，13.49米和11.48米，吊點(diǎn)跨距大。且吊點(diǎn)布置在一條線上，過(guò)于集中。

（2）由于舷側(cè)外板與各層甲板為柔性連接結(jié)構(gòu)，沒(méi)有形成抗撓強(qiáng)結(jié)構(gòu)框架，且舷側(cè)重心距吊點(diǎn)離有11.48米，致使舷側(cè)下垂變形量過(guò)大。

（3）若要減小方案一變形量，需要在車輛甲板和舷側(cè)外板之間做大量的斜支撐，每層甲板間增加垂直支撐，工作量大且施工難度大。

2.2 吊裝方案二

針對(duì)方案一存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出第二套吊點(diǎn)布置方案。方案二將吊點(diǎn)分散開(kāi)布置。部分吊點(diǎn)盡量接近外板，盡量減小因柔性連接點(diǎn)產(chǎn)生的變形量。方案由于外側(cè)一列吊點(diǎn)下方無(wú)支撐且吊點(diǎn)與舷側(cè)無(wú)剛性連接，因此需要在吊點(diǎn)位置處增加垂直臨時(shí)支撐。方案二吊成布置見(jiàn)圖3。

修改有限元模型中的吊點(diǎn)，將臨時(shí)支撐在有限元模型中建好模型。其它計(jì)算條件與方案一相同。計(jì)算結(jié)果的最大應(yīng)力仍然在縱桁與支柱交點(diǎn)處，但由于吊點(diǎn)分散布置后，應(yīng)力大幅下降至171Mpa，應(yīng)力值已處于安全范圍內(nèi)。

從方案二的變形云圖來(lái)看（見(jiàn)圖4），最大變形量仍處于舷側(cè)外板處，但最大變形值已下降至24.9mm，不會(huì)發(fā)生永久性變形，完全滿足總段合攏的精度要求。

對(duì)比兩套吊點(diǎn)布置方案，方案二具有應(yīng)力小，變形量小的優(yōu)點(diǎn)，符合施工要求，因此確定選擇方案二為最終起重方案。

3 結(jié)論

通過(guò)有限元直接計(jì)算方法，能直觀得到總段結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形量，將未知風(fēng)險(xiǎn)降至最低，并通過(guò)分析結(jié)果優(yōu)化總段吊點(diǎn)布置，將結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形控制在規(guī)范和施工基準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了柔性結(jié)構(gòu)汽車運(yùn)輸船大型車庫(kù)立體總段吊裝。每個(gè)總段能減少塢內(nèi)合攏縫長(zhǎng)度約450米，全船共有四個(gè)立體車庫(kù)總段，每船能減少塢內(nèi)合攏縫長(zhǎng)度約1800米。為縮短船塢周期創(chuàng)造了重要條件。

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