基于三維模型的FSRU上建總段吊裝工藝仿真技術研究

周 瑜， 夏勇峰， 羅 金， 方仁俠

(滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129)

0 引 言

浮式再氣化裝置(floating storage and re-gasification unit， FSRU)是一種集液化天然氣(liquefied natural gas， LNG)接收、存儲、轉運、再氣化外輸等多種功能于一體的特種裝備，配備推進系統時，兼具LNG運輸船功能。本文研究對象是由滬東中華造船集團有限公司為希臘船東建造的全球最先進、國內首款大型FSRU船，該船型總長294 m，型寬46.9 m，型深26.2 m。其上層建筑總段集船體結構和各類舾裝件為一體，是該船一體化完整性最高的“中間產品”，由PD42PS、 PD52PS、 PD62PS、 PD63PS和PD72PS共10個分段組成，其長、寬、高尺寸為25.5 m×47 m×25.1 m，其分段劃分圖和船舶產品設計(ship product design， SPD)三維設計模型如圖1所示。

圖1 SPD上建總段模型

根據船廠《重大件吊裝安全管理規定》： 凡是上層建筑整體吊裝的吊物均屬于重大件。在船舶建造過程中，重大件總段整體吊裝的安全性一直以來都是船廠較為關注的關鍵性技術難點，且其吊裝過程中的精度控制尤為重要，故對FSRU船的上層建筑總段吊裝工藝的模擬仿真分析意義重大。

本研究主要基于TSV(TechnoStar VENUS)軟件和SPD軟件進行，其中TSV軟件是由日本泰科諾斯達株式會社開發的一款船舶分段吊裝仿真應用軟件，該軟件能夠三維模擬船體分總段吊裝的過程，并直觀地展示各個吊環、鋼絲繩的受力和船體結構的應力、變形分布情況，目前普遍應用于日本三井造船、韓國三星重工以及國內黃埔文沖等數十家造船企業中[1]。而SPD軟件是由中國船舶工業集團有限公司完全自主研發的一款船舶產品設計軟件。它能夠實現殼、舾、涂全專業并行的三維設計，緊密貼合造船生產設計實際，在國家重大裝備制造產業中是唯一具有自主知識產權并且產品化的三維設計平臺，目前已推廣至國內230多家企業、研究院所和高校。本研究將SPD軟件與TSV軟件結合應用，能夠有效地利用統一三維模型進行工藝仿真。

1 研究的技術方案

目前，船體結構吊裝分析的主要方法有經驗法、總體分析法和有限元分析法[2]。而國內大部分船廠的船體結構吊裝分析采用經驗法和總體分析法，設計人員憑借經驗并根據船體結構的重量、重心通過簡單的計算來確定吊點位置和加強方案，沒有相關的標注設計規范，這勢必將導致吊馬利用率不高，加強材應用不合理，安裝拆除工作量大等問題。當然也有部分船廠會使用有限元分析法進行船體吊裝工藝仿真分析，即主要依靠MSC.PATRAN/NASTRAN、 ANSYS等通用有限元軟件進行仿真分析，這存在大量的重復性建模，不符合單一數據源的理念；有限元網格劃分仍通過手工進行，消耗了大量的設計工時，不能快速地對吊裝工藝方案進行優化迭代，影響了設計的質量。

本研究主要基于TSV軟件，利用統一的SPD三維設計模型，對總段吊裝工藝進行仿真模擬和有限元計算分析，來保證吊裝工藝方案的準確性、吊裝過程的安全性、快速搭載的可行性，從而大大提高舾裝預裝率，確保中間產品完整性，通過精細制造，縮短建造周期、降低成本[3]。其技術流程如圖2所示。

其中，吊裝工藝仿真主要包括統一三維模型的轉換、仿真模型的設置，并根據吊裝方案進行吊裝設置，繼而進行動力學仿真計算，求得各吊裝工況下船體結構的受力。有限元評估分析是在吊裝模型通過網格劃分形成有限元模型后，加載各工況下吊裝模型的受力，形成有限元分析文件，遞交求解器進行計算求解，然后結合有限元計算結果進行船體結構的強度校核。

2 吊裝方案設計

根據已創建好的SPD三維模型和各專業室反饋，匯總了各專業結構和舾裝件的重量，得到該上層建筑總段總重量為688 t，其中包含結構重量約為457 t，舾裝重量為231 t，以原船坐標系為總體坐標系，即原點設置在船體的FR0處，x軸以船艏方向為正，y軸以左舷方向為正，z軸以船高方向為正，其重心位置為：x=FR59+340，y=-0.04 m，z=45.45 m，如表1和表2所示。

圖2 技術流程圖

表1 上建結構重量、重心統計

表2 上建舾裝重量統計

(續 表)

另考慮到龍門吊的吊排自重約為125 t，卸扣、鋼絲繩等吊索具重量約為25 t，故整個上建總段起吊重量約為838 t。船塢布置2臺600 t龍門吊，其基本參數如表3所示。

表3 600 t龍門吊參數

(續 表)

根據FSRU船上層建筑的外形尺寸、結構形式和重量、重心分布特點，擬采用2臺600 t龍門吊聯吊方式進行吊裝搭載。其重心靠近船體中心線，重量分布基本左右對稱，根據力的傳遞特點，吊排適合布置在駕駛甲板的兩舷外圍壁處，前后各4個吊點位置，根據重心對稱布置，即吊裝時單邊各使用8個吊點，總計16個吊點，單個吊點受力約為42 t。吊點布置如圖3所示。

圖3 吊點布置圖

3 有限元分析及優化

3.1 仿真模型創建

通過SPD軟件將已經建立好的上層建筑的三維模型導出成.XML格式文件，并將該文件導入TSV軟件中，形成吊裝仿真模型。根據《國內航行海船建造規范》中有限元相關規定，對上建船體模型進行四邊形網格劃分，控制網格的平均大小為200 mm×200 mm，最小角度大于45°，相鄰網格尺寸變化小于1.25[4]，生成相應的有限元網格模型。同時將船體模型的各個板材屬性附到其網格模型上，并檢查網格質量和屬性信息的完整性。

根據初定的吊裝方案，采用2臺龍門吊聯吊的方式進行吊裝，且16個吊點根據重心均布在駕駛甲板上，擬采用4個吊點來模擬起吊工況。通過TVS軟件，進行起吊設置，確定其重量重心位置、初始吊裝基面、吊點位置和吊索具選用情況，并在網格模型的基礎上創建相關的簡化模型，設定向下的重力加速度為-9.8 m/s2，如圖4所示。

圖4 上建仿真模型

3.2 校核標準

為保證吊裝作業的安全性，根據日韓等先進船廠以往的設計計算經驗，從結構應力上來看，選取船體結構應力安全系數為1.5，即結構的許用應力為屈服應力/1.5。從變形上來看，當結構的最大變形值小于等于最大尺寸/800時，則認為其整體剛度滿足吊裝要求[5]。該上建最大尺寸為寬度47 m，故其變形量需控制在59 mm以內。

就精度控制而言，目前沒有相關標準來約束船體結構的吊裝精度。但是上建總段吊裝完成后，需與其下方的船體結構做對接定位和裝配，為保證其定位的準確性，需要控制其小口變形量，越小越好。

3.3 計算分析

同樣利用TVS軟件中的模擬分析模塊，對模擬好的上建網格模型進行有限元分析計算。由于該總段在起吊過程中勻速上升，不考慮其他環境因素的影響，故可以忽略其上升的加速度。計算后，發現在吊裝過程中結構應力最大為148.5 MPa，出現在艉部吊排靠艏端吊孔下方的圍壁板上，其應力分布如圖5所示。

圖5 上建初定方案應力分布

其結構變形為32 mm，位于艉部下口自由端處，變形分布如圖6所示。

圖6 上建初定方案變形分布

吊點下方的鋼板厚度為8 mm，材質為普通A級鋼，其鋼材的屈服應力為235 MPa，取1.5倍安全系數，則其許用應力為157 MPa。根據上述有限元分析計算結果，可以發現上層建筑吊點布置較為集中，吊點下方圍壁上的應力最大，為148.5 MPa，與許用應力值較為接近，考慮焊接過程中的焊縫存在部分殘余應力[6]，故相對比較危險，需做吊點及加強布置優化。

另外，上建整體寬度較大，吊點布置在左右圍壁處，艉部下口自由端角點處相對變形量最大，為32 mm，最好也做相應的加強措施。

3.4 方案優化及分析

對上述問題進行以下優化，如圖7和圖8所示。

(1) 為減少艉部下口自由端變形量，在上層建筑下口往上200 mm處的外圍壁上增加#20槽鋼加強，并用#20槽鋼將上層建筑艉部下口自由端角點與后圍壁斜拉起來[7]。

(2) 為避免吊點布置較為集中，改變上層建筑左右圍壁上的吊排形式，增加單個吊排的吊孔至8個，即單邊16個吊點。

(3) 為增加吊點下方圍壁的結構強度，將其局部板厚由8 mm增加至12 mm。

對優化后的方案進行網格模型修改，并模擬吊裝，如圖9所示。

對修改好的上建網格模型進行有限元計算，發現在吊裝過程中結構應力最大為55.6 MPa，出現在艉部吊排靠艉端吊孔下方的圍壁上，遠小于其鋼材的許用應力157 MPa，其應力分布如圖10所示。

圖7 上建加強優化

圖8 上建結構及吊點優化

圖9 上建優化吊裝方案模擬

圖10 上建優化吊裝方案應力分布

其結構最大彈性變形為11 mm，出現在艉端面下口自由端的角點處，變形分布如圖11所示。

圖11 上建優化吊裝方案變形分布

上建總段的吊裝方案在優化前后對比如表4所示。

表4 上建優化前后對比

根據上述有限元分析計算結果可以得出，上建總段的吊裝及加強方案在優化后，其吊裝至搭載的過程中應力均在要求的范圍內，變形量也得到了有效的控制，并且進一步提高了吊裝作業的安全性，減少了整體結構變形，更好地滿足了精度控制要求，為最終的生產設計提供了依據和技術支持。

4 結 語

本文基于TSV軟件，以船廠自主研發的SPD軟件為平臺，利用統一的三維設計模型，并結合“中間產品”完整性的設計理念，開展了基于三維模型的FSRU船上建總段吊裝工藝仿真技術研究。該研究得出以下結論：

(1) 多個吊點的布置和船體結構板厚的增加，能有效地減少船體結構應力，從而避免出現應力集中的現象。

(2) 利用統一的三維模型，單一的數據源，進行吊裝工藝仿真，能夠有效地避免重復性建模，加快設計方案的確定和優化迭代，節省大量的設計工時，提高設計效率。

(3) 利用吊裝模擬仿真技術，建立三維數據空間[8]，通過模擬船體的吊裝過程來幫助設計人員發現工藝方案中潛在的不足和隱患，能有效地保證工藝方案的準確性，提高設計質量，減少事故發生。