郵輪大尺度薄板分段翻身專用裝置設(shè)計

張理燕，陳小雨，張海甬

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

目前國內(nèi)現(xiàn)有造船廠在船體制造過程中對分段結(jié)構(gòu)的翻身，主要利用門式起重機起吊、單點松鉤、旋轉(zhuǎn)翻身、再掛鉤等工序配合完成空中分段翻身。這種分段翻身工藝是通過焊接在分段結(jié)構(gòu)上的吊碼通過起重機直接翻身，由于吊點布置受限，這種工藝適用于結(jié)構(gòu)較強的分段，否則會引起分段整體彎曲變形或者吊碼區(qū)域局部變形。大型郵輪建造中的分段主要是薄板分段，為提高建造效率和結(jié)構(gòu)質(zhì)量，薄板分段多以平臺甲板為基面進行反態(tài)建造和預(yù)舾裝，再翻身朝上進行船體總組拼裝。因此，在薄板分段翻身過程中必須防止結(jié)構(gòu)變形，才能達到建造過程中高精度和高質(zhì)量要求。為此，開發(fā)專用翻身裝置。

1 薄板分段建造工藝

1.1 薄板分段參數(shù)

所述豪華郵輪共有490個薄板分段，其中需使用翻身裝置的分段330個，長度為10～16 m，寬度大于32 m的140個，16～32 m的150個，小于16 m的40個。重量大于50 t的100個，30～50 t的160個，小于30 t的70個。全寬型分段，即分段船寬方向尺寸占大部分甲板寬度尺寸的薄板甲板分段共170個(見圖1)，半寬型分段，即分段船寬方向大部分都在船體左舷或右舷的薄板甲板分段共160個，見圖2。

圖1 全寬型分段

圖2 半寬型

薄板分段的特點主板結(jié)構(gòu)較薄，一般厚度約6 mm，縱骨球扁鋼厚度一般為5 mm，T-BEAM的主板厚度一般不大于8 mm，且存在大量減輕孔，因此薄板結(jié)構(gòu)的整體剛性較弱，無法應(yīng)用常規(guī)的翻身工藝。

1.2 翻身工藝分析

基于薄板結(jié)構(gòu)剛性較弱的特點，必須考慮增加剛性以解決翻身工藝的問題。以2根剛性梁作為翻身的主體，將薄板結(jié)構(gòu)約束在鋼梁結(jié)構(gòu)上。薄板結(jié)構(gòu)與鋼梁的約束方式采用鉸鏈，提高了薄板分段的固定約束的效率，避免常規(guī)采用焊接形式帶來的安裝周期長、結(jié)構(gòu)變形大等影響。

在薄板分段甲板面安裝專用吊環(huán)，吊環(huán)布置對應(yīng)薄板分段翻身裝置上吊環(huán)插入孔位置中心，選取與分段重心基本對稱的2檔間距8.7 m的T-beam檔肋位，并均勻布置。對全寬薄板分段計設(shè)置12只吊環(huán)，對半寬薄板分段計設(shè)置6只吊環(huán)，對介于半寬與全寬之間尺寸薄板分段共計設(shè)置8只吊環(huán)。

為便于平板車運輸分段進入翻身裝置，同時要保證翻身時2根鋼梁保持平行不發(fā)生扭轉(zhuǎn)，一端采用封閉結(jié)構(gòu)固定約束2根鋼梁的相對位置，另一端采用裝拆式吊梁結(jié)構(gòu)。

使用寬度大于等于7 m平板車運輸薄板分段至翻身裝置處，并通過調(diào)整平板車的姿勢將分段上的吊環(huán)插入至薄板分段翻身工裝孔中,見圖3。

圖3 分段到位

用插銷將工裝上的花籃螺栓和分段上的吊碼連接固定。通過龍門吊1號、2號鉤起吊翻身工裝繞基座旋轉(zhuǎn)至90°(見圖4)，最后在3號鉤的配合下使薄板分段翻身工裝繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°，使分段呈正態(tài)，見圖5。

圖4 吊裝翻身

圖5 翻身結(jié)束

2 翻身裝置設(shè)計思路

2.1 參數(shù)確定

根據(jù)分段結(jié)構(gòu)參數(shù)及翻身工位場地的情況(42 m×16 m)，開發(fā)薄板分段專用翻身裝置,裝置主尺度：沿船長9.3 m,沿船寬38 m,高3.1 m,自重約83 t，最大翻身能力120 t，見圖6。

圖6 工裝基本結(jié)構(gòu)圖

2.2 強度計算

2.2.1 主結(jié)構(gòu)強度計算

翻身過程中各姿態(tài)下鋼梁的受力狀態(tài)不同，需要結(jié)合翻身裝置和薄板分段的工藝特征進行力學(xué)分析。

1)有限元建模。按分段重量為80、100、200 t 3種情況，分段重心高度為1 m，將分段尺寸限定為32.4 m×11.6 m。采用有限元3D模型模擬翻轉(zhuǎn)工裝，板厚采用建造板厚。單元類型為殼單元和梁單元，網(wǎng)格尺寸模型兩端為50 mm×50 mm,其他位置采用300 mm×300 mm，見圖7。

圖7 有限元模型

2)工況設(shè)置。設(shè)計工況選取正常作業(yè)狀態(tài)下的8種工況。設(shè)計載荷為承載分段重量和翻轉(zhuǎn)工裝自重，具體工況設(shè)置見表1。

表1 工況設(shè)置

3)有限元方法計算結(jié)果

(1)參考衡準(zhǔn)。參考《GB/T 26079—2010 梁式吊具》標(biāo)準(zhǔn)，A類彎曲設(shè)計時梁強度安全系數(shù)不小于2.0。

(2)結(jié)果匯總。采用Q345鋼材時，翻轉(zhuǎn)工裝應(yīng)力計算結(jié)果見表2。

表2 von mises應(yīng)力

2.2.2 吊梁強度計算

為保護機組不超壓,防喘振控制系統(tǒng)設(shè)置了一條出口壓力上限安全線（PAH），當(dāng)壓力到達安全線（PAH）時,旁路閥快速打開，限制出口壓力，同時DCS上將旁路閥閥開度鎖定在100%上，入口導(dǎo)流葉片閥開度鎖定在0%上，壓縮機卸載。

1)有限元建模。根據(jù)公司吊車工況，吊梁設(shè)計總長為12 m，吊環(huán)距端面0.25 m，支座間距為8.7 m關(guān)于吊梁中心點對稱布置，吊梁總重10 t。吊梁幾何模型見圖8。

圖8 吊梁幾何模型

吊梁模型本體以及上半部加強蓋板選用的是3節(jié)點、4節(jié)點殼單元，圓管外沿加強材選用Beam單元進行模擬，網(wǎng)格尺寸約為50 mm×50 mm，共得到22 728個單元。吊梁有限元模型見圖9。

圖9 吊梁有限元模型

2)工況設(shè)置。根據(jù)實際吊裝工況，該吊梁用于80，90，100，120 t分段翻身作業(yè)，因此在計算中對支座1處設(shè)置全約束，支座2處僅保留吊梁軸向平動的自由度。載荷方面，將吊梁、翻身工裝和分段的重量總和平均分在2只吊環(huán)上，方向為豎直向上。

3)有限元結(jié)果。按照上述工況提交計算，各分段重量對應(yīng)的應(yīng)力計算結(jié)果見表3，120 t分段的應(yīng)力和變形見圖10。

表3 計算結(jié)果匯總表

圖10 分段重量為120 t時的計算結(jié)果

2.2.3 墊塊的應(yīng)用

由于部分分段甲板面梁拱高度≤0.2 m，另外還存在外板等結(jié)構(gòu)伸出甲板高度≤0.2 m的分段。為確保薄板分段放置在翻身工裝主梁上整體受力均勻，因此需要設(shè)計專用墊塊(見圖11)，墊塊高0.2 m，與翻身工裝通過鉸鏈連接固定。當(dāng)不需要使用墊塊的工況時，將墊塊進行止鎖固定；當(dāng)使用該墊塊時，應(yīng)預(yù)先將薄板分段翻身裝置的墊塊翻身墊在主梁上。

圖11 專用墊塊

2.2.4 限位器的應(yīng)用

表4 計算結(jié)果匯總表

圖12 吊碼應(yīng)力和變形

結(jié)果表明，吊碼最大應(yīng)力達到了373 MPa。為了使工裝滿足安全使用要求，開發(fā)設(shè)計專用限位器(見圖13)，該限位器可通過旋轉(zhuǎn)絲桿在長度方向?qū)崿F(xiàn)伸縮微調(diào)，以滿足船寬方向不同尺寸的薄板分段，增加其使用通用性。

圖13 限位器

單個限位器最大可承載100 t，兩根橫梁上各設(shè)置一套，安裝在薄板分段端部位置，通過調(diào)節(jié)絲桿頂住薄板分段，見圖14。

圖14 使用現(xiàn)場

使用限位器后，通過有限元建模分析，吊碼的應(yīng)力水平滿足使用要求，計算結(jié)果見表5，應(yīng)力和變形圖見圖15。

表5 計算結(jié)果匯總表

圖15 吊碼應(yīng)力和變形

3 結(jié)論

基于翻身方案形成了專用裝置的設(shè)計, 可有效提高翻身過程結(jié)構(gòu)的剛性,經(jīng)過計算增加的吊梁、限位器是結(jié)合船廠自身設(shè)備設(shè)施的工藝技術(shù)參數(shù)設(shè)計的。針對大型郵輪的建造工藝需要在分析郵輪的結(jié)構(gòu)特點基礎(chǔ)上開展，同時與現(xiàn)有的設(shè)備及工藝流程有機結(jié)合，由此形成的解決方案才能夠真正與整個流程結(jié)合。