船舶浮態下改裝工程大開孔變形控制分析

邵 亮，李路遙

(鎮江市交通運輸綜合行政執法支隊，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

船舶結構在改裝時需要開設較大的工藝孔以便施工需要，其結果會導致船體變形和強度降低。在船塢中船舶進行改裝施工可有效減少改裝引起的變形和強度問題，但出于對經濟和時間成本的考慮，船東和船廠并不希望改裝船舶長期占塢施工。

在船舶漂浮狀態下進行改裝作業可有效節省進塢成本，但船舶空載時一般處于中拱狀態；對船舶改裝會產生不利影響。在甲板上開設大的工藝孔會大幅降低船體的總縱強度，受力嚴重時會導致船體的結構破壞。如果變形量較大更會影響改裝過程中的結構安裝精度，產生不同程度大小的內應力。因此，在改裝過程中的內應力應予以充分的考慮[1]，以免影響船舶的整體強度，給將來的運營留下安全隱患。

近年來，國內外學者對船體大開孔情況的有限元分析計算確有研究，但船舶在浮態下進行改裝開孔的研究甚少。本文以某改裝油船為研究對象，對其進行有限元建模，在船舶浮態下對船體大開孔情況進行了分析，通過對船舶固定位置進行壓載計算得出了有效的控制變形方法。

1 工程實例

某10.5萬載重噸改裝油船主要參數為：總長243.5 m，型寬42 m，型深21.3 m,設計吃水13.6 m，貨艙區域長度173 m，現空船狀態下全船重量約為18 960 t，船體甲板區域材質為屈服強度315 MPa的高強鋼；該船在漂浮狀態下實測艏吃水0.3 m，艉吃水5.5 m，貨艙區域中縱剖面中拱變形82 mm。

根據現場改裝施工需要，該船貨艙區域甲板左右舷均需開設20 m×11 m的工藝孔，見圖1。圖中，P為左舷，S為右舷。開孔作業時可能出現的最危險工況為全部工藝孔開設完成，且沒有加強。施工要求如下：

圖1 甲板工藝孔

(1)強度安全系數不小于2.0，即應力不超過157.5 MPa。

(2)船體貨艙區域中拱變形不超過貨艙區域總長度的5‰，即為86.5 mm。

由于開設的工藝孔較大，原船強度受到較大破壞，僅依靠施工經驗和簡單計算不能確保施工安全，因此需要借助有限元軟件對施工過程進行計算并評估分析，以制定安全可行的施工方案。

2 有限元計算

使用船舶專用有限元軟件SESAM/GeniE建立該船有限元模型，根據實際狀態進行加載。模型邊界條件設定參考《國內航行海船建造規范》[2]第2篇3.3.4的規定。模型邊界約束示意圖見圖2。船底平板龍骨在船尾節點1處沿橫向的線位移約束，即δy=0；船首節點2處，沿縱向、橫向和垂向的線位移約束，即δx=δy=δz=0。艉封板水平桁材距中縱剖面距離相等的左(節點3)、右(節點4)各1節點處，沿垂向的線位移約束，即δz=0。模型重量重心按照實船進行調整。外部水壓按照艏艉吃水進行面載荷加載，見圖3。

1～4—節點。圖2 模型邊界約束示意圖

圖3 船體吃水加載

計算結果顯示，中縱剖面中拱變形為85.9 mm(見表1、圖4，與實際變形值相差約5%)。中拱狀態下船體中部吃水因變形影響比模型加載吃水小，有限元計算的變形計算結果會比實際大，此計算結果與實際狀態基本相符。以此有限元模型為基礎，進行開設工藝孔的施工校核。

表1 初始浮態下貨艙區域變形

去除工藝孔的重量為683 t，占整船重量的3.6%，吃水變化很小，模型中忽略不計，吃水按初始狀態加載。計算結果顯示：開孔后角隅處最大應力為156.1 MPa(見圖5)，不超過允許值；最大變形為99.5 mm(見表2、圖6)，超過允許值。

13 971、32 408、34 550、36 554、38 652、40 723、44 095、101 641—節點。圖4 初始浮態下船舶垂向位移

表2 無壓載開設工藝孔后的變形

13 971、31 335、33 290、35 107、37 018、39 050、

要防止貨艙區域變形過大，需對開孔作業進行分析設計。為降低變形量，在現有條件下有以下2種途徑可選擇：

(1)對開孔區域結構進行加強。

(2)貨艙區域加壓載水以減小中拱變形量。

在開孔處進行結構加強成本較高，并且要大幅降低變形，加強結構會較多。加壓載水可顯著降低成本，具有明顯優勢。

選擇變形最大的區域(貨艙2號艙、3號艙)進行壓載，此區域雙層底壓載艙可裝載壓載水約3 500 t。依據船上裝載儀數據顯示，打入壓載水后船舶艉吃水約6.2 m，艏吃水約0.5 m。

按照上述吃水和壓載進行計算，結果顯示中拱變形降為77.1 mm(見表3、圖7、圖8)，開孔角隅處最大應力為144.7 MPa。變形及強度均可滿足現場要求，在壓載艙裝載壓載水減小變形的方案可行。

表3 船體壓載后開設工藝孔貨艙區域的變形

13 971、31 335、33 290、35 107、37 018、39 050、

圖8 船體壓載后開孔的應力結果

實際作業中，利用分布在貨艙區域甲板上的激光經緯儀，實時監測貨艙區域中拱變形量。經現場作業測量，開孔后貨艙區域實際變形量為73 mm，改裝作業順利進行。

3 結論

(1)利用有限元計算對開設大工藝孔進行計算分析，結合現場條件，制定安全、經濟、有效的方案，確保了改裝施工的順利進行。

(2)有限元計算在船舶設計階段使用較為普遍。船舶改裝施工中可能出現的情況復雜多變，利用有限元計算解決施工中可能出現的問題同樣切實有效，方法可行。

(3)本文以某改裝油船構建模型，通過對船體大開孔部分的有限元分析結合船舶壓載狀態得到了較為實用的控制方法。