基于有限元分析的船舶整體吊裝對軸系的影響研究

王公利　陽志為

摘要：船舶下水是船舶建造過程中的一個關鍵節點，對于船舶建造而言，確保下水節點，將為最終的船舶交付節點提供一個有力保障。在下水方式的選擇上，不同船廠根據不同的資源配置、船舶類型、成本等因素會選擇不同工藝方案。本文就某型交通船的吊裝下水方案進行了理論計算，特別針對軸系部分進行了受力分析，并進行了實際應用，結合船廠的實際資源配置，最終完成船舶的順利下水，保障了節點及整個船舶推進系統的有效性。

關鍵詞：船舶;吊裝下水;有限元分析

0 ?引言

船舶的下水節點為船舶建造的關鍵節點，選擇何種下水方式需要結合船廠的現有資源，在保證安全的情況，選擇施工成本低的下水方式。面對目前國內外嚴峻的造船形勢，成本控制至關重要[1，2]。在承建國內某船東建造的雙機雙槳軸系推進的油田交通船項目過程中，結合公司的船塢資源，確定采用船舶整體吊裝下水方案。鑒于整體吊重過程中，船舶將會出現不同程度的變形，進而有可能導致軸系變形，從而影響船舶整體性能。為了避免類似風險的存在，在整體吊裝之前，通過對船舶整體結構及艉軸管的有限元分析，進而獲得船舶整體及軸系受力情況，確保在吊裝過程中，船舶變形可控且不會對軸系造成影響。

1 ?船舶簡介及船型分析

該型船舶為一艘設計為雙機雙槳，中速柴油機驅動的國際航行的，用于油田員工倒班用和裝載少量物品（物品裝載量不超過36t）的交通運輸船。本船設計為帶球鼻艏的傾斜艏柱和艏樓，方尾，配襟翼舵和導管可調螺旋槳，考慮人員舒適性，配備一對減搖鰭。主要參數詳見表1，船舶推進系統由主機、螺旋槳軸、中間軸、液壓聯軸節、艉軸管、中間軸承、可調螺旋槳等組成。軸通過法蘭式聯軸器與主機曲軸法蘭互相連接，液壓式連軸節能在不拆開法蘭連接的情況下脫開艉軸，軸的材質為鍛鋼制，同時配一套滑環式軸系接地裝置，以連接至船體并配有監測系統。艉軸管安裝兩道軸承—前軸承和后軸承。前、后軸承為合成塑料材料，水潤滑冷卻。螺旋槳軸可以向船外抽出。因此在船舶整體吊裝過程中，由于船體結構變形和受力情況的改變，會對軸系及其輔助系統產生較大影響。因此在吊裝過程中需要對整套船舶推進系統進行合理的受力分析，特別是艉軸與前、后軸承，前、后軸承與艉軸管之間的相關受力情況進行重點分析。

對于整體吊裝方案，基于安全因素，擬采用1600t浮吊整體吊裝下水，同時對于對全船重量及重心位置進行計算，合理分布吊裝眼板及相應的加強結構。在基于上述方案的基礎上，通過建模對整體吊裝方案進行合理的有限元計算。

吊裝方案：①確定吊裝重心：根據船體、舾裝、管系和輪機（主要設備）重量總計為715T，加放焊材重量、腳手架及輔助電氣設備等重量，預估吊裝重量為800T，同時根據全船結構分布和設備布置圖，估算船體、舾裝和輪機重心位于X=FR39+111的位置。②確定吊耳位置：根據船舶重心位置，采用對稱吊耳布置的方式，左右舷均布共計16個吊裝重型吊耳。③鋼絲繩選用：吊裝過程中各段受力不同，其選用的鋼絲繩不同，本方案分別選用直徑為90mm、130mm、156mm的鋼絲繩環。④在吊裝作業前，檢查相關人員的職業技能證書，所有相關操作人員應持證上崗，并按照上述工藝方案的要求執行、同時對所有參與吊裝作業人員進行技術交底工作，其中對于吊裝工藝方法、設備、構件的規格、質量及擺放位置、安裝位置進行確定。⑤吊裝作業過程中需緩慢起吊、當起重機具受力時要對受力機具進行檢查、以防鋼絲繩與船體結構及吊索具之間出現相互干涉的情況。⑥檢查確認無誤后開始正式起吊，在起吊過程中需要嚴格按章操作，由一人統一進行指揮。當船舶脫離胎架3-5cm處，停止起升，對于軸系及吊裝吊耳處其相關區域進行密切監控。觀察是否出現肉眼可見變形，如有則需對局部進行加強處理。如沒有，靜置5-10分鐘后，則可以繼續進行起吊，直至吊裝到位。

2 ?有限元計算

2.1 載荷

2.1.1 結構自重

該型油田平臺交通船預估吊裝重量約800t，其中結構自重約520t其余重量為機械設備和電氣設備、管路及腳手架等鋼材。在有限元程序中，結構單元的自重以及一些分布較均勻的設備載荷以線密度和面密度的形式表示（考慮到每個分段重量相差較大，采用密度表示時應根據每個分段情況調整），上建分段由于結構重量較小，本計算采用均布力的形式施加在艏樓甲板相應范圍內。對于一些重量較大且集中的設備如主機和舵設備等，采用集中力的形式施加在相應位置節點上。

2.1.2 外力

整個模型受到外力重力加速度g的作用。

2.1.3 約束

整個船的模型受到吊耳與浮吊吊鉤相連，并通過固定船寬度方向船尾兩側，確保船體不受側向力的作用。

2.2 許用應力

計算許用相當應力為188N/mm，許用剪應力為112N/mm。

2.3 計算模型

考慮的全船結構左右基本對稱，建模時采用半寬模型，模型垂向范圍為船體艏樓甲板至船底板，模型縱向為船體總長。船體板材和型材等構件模型處理方法如下[3～4]：

甲板板、外板板、內底板、艙壁板等板材采用4節點板殼單元模擬，在過渡區域采用少量三角形單元;甲板、內底板、船底外板、舷側外板、艙壁等板材上的縱骨、扶強材等采用梁單元模擬，并考慮偏心的影響;縱桁、強橫梁等主要構件的面板和加強筋采用桿單元模擬;艙壁上的水平桁材等高腹板采用4節點板單元模擬。

2.3.1 網格劃分

沿船體橫向按縱骨間距劃分，縱向每檔肋距劃分1個單元格;舷側外板、甲板板垂向按縱骨間距劃分，縱向每檔肋距劃分1個單元格;安裝吊耳的位置單元格采用細網格劃分。

2.3.2 材料參數

鋼材：彈性模量E=2.06e5MPa;Poisson比v=0.3;重量密度p=7.85e-9t/mm3。

2.3.3 有限元模型建立

基于上述網格劃分對主船體分段建立了有限元分析模型（圖1）。其中艏樓甲板采用均布載荷;主機、舵、漿采用集中應力分布。

2.4 計算結果（圖2、圖3）

3 ?理論計算結果分析

由上述有限元計算結果分析可以發現，船舶艉軸處的受力情況，其最大變形量主要出現艉管與美人架焊接處，最大變形量為1.5mm（圖2），根據船舶建造規范及軸系相關安裝要求，其變形量在允許范圍內，因此對于該吊裝方案不會對船舶軸系的整體性能造成影響。同時可以發現船體最大變形量則出現在艏樓甲板處，其變形量為8mm，吊裝處局部變形應力為62N/mm，剪切力為33N/mm，其變形應力和剪切力符合也符合相關規范要求。根據整體受力情況可以發現吊裝耳板和艏樓位置的受力及變形較大，為了確保安全，同時盡可能的避免船舶整體吊裝對于船舶造成變形，以減少后期火工校正的工作量，針對分析結果，對整體吊裝方案進行優化：①考慮到吊裝耳板位置為受力區域，因此在安裝吊環處甲板下對位進行局部加強，加強板應與相鄰縱向構件焊接，加強板厚度20mm，并在吊耳位置甲板下采用無縫鋼管與船底相連，通過該方式將應力進行傳遞，以減少局部受力情況。②上建艏樓甲板處增加臨時支撐，控制上建區域的橫向變形，從而進一步縮小上建區域的變形。控制其變形量在3-5mm范圍內。

4 ?結語

通過上述優化方案，可以發現該整體吊裝方案符合船舶建造標準，變形量控制在可接受范圍內，船舶實際變形量與有限元分析結果基本保持一致，特別是軸系安裝部分，并未出現結構變形超差的情況，同時在后續的軸系頂升試驗及試航過程中，船舶軸系經受住了考驗，航速及軸承溫度均滿足制造廠的設計要求。因此在資源和方案有限的情況下，可以通過整體吊裝的方式來確保船舶建造進度，同時也充分驗證了該整體吊裝方案對軸系的影響是非常微小的。

通過該系列船的順利完成了試航和交船工作?？梢猿浞肿C明，在充分分析船舶實際吊裝重心的基礎上，在確定具體的吊耳和加強結構布置之后，可以通過合理建模，通過有限元分析方式獲得船舶的各區域的實際受力方式，從而驗證吊耳布置和加強結構的合理性，同時也可以大大降低，整體吊裝給船舶造成的變形影響。今后可以將此項低成本、低消耗、高效率、高可靠性的技術在中小型船舶下水工程中進行廣泛應用。面對日益嚴重的市場競爭環境，通過改革創新、降本增效，將大大增強企業的競爭力。

參考文獻：

[1]王金虎，劉俊賢.小型船舶整體吊裝下水工藝[J].科技資訊，2016，28：064-069.

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