機(jī)艙總段整體吊裝分析

徐爍碩，鄧 昂，何文心

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引 言

在現(xiàn)代化造船模式下，船體總段吊裝前的預(yù)舾裝率相比以往顯著提升，這對(duì)提高生產(chǎn)效率、縮短建造周期和降低制造成本有重要意義。在數(shù)值仿真技術(shù)的支持下，韓國(guó)建造的巨型化總段的質(zhì)量已達(dá)到5 000 t［1］。但是，總段的完整性對(duì)整體吊裝的要求很高，不僅要考慮總段的質(zhì)量、吊車(chē)的起吊能力、吊耳形式、吊點(diǎn)位置和吊索，而且要考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形問(wèn)題，最重要的是要保證吊裝的安全性。

嚴(yán)峰［2］通過(guò)對(duì)耙吸挖泥船機(jī)艙至艉部的巨型總段整體吊裝時(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行有限元分析，確保吊裝工作的安全性。劉銳等［3］通過(guò)對(duì)20 800 載重噸散貨船機(jī)艙總段的起吊上升、位移運(yùn)輸和下降等3 個(gè)階段進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真分析，對(duì)總段吊裝方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。劉曉等［4］設(shè)計(jì)了船舶分段吊裝工藝虛擬仿真試驗(yàn)，并通過(guò)執(zhí)行靜力學(xué)仿真、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真校驗(yàn)，對(duì)工藝設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)完善。張國(guó)輝等［5］針對(duì)全敞式牲畜運(yùn)輸船圍欄總段，通過(guò)有限元仿真設(shè)計(jì)了吊裝方案，并對(duì)其可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。黃進(jìn)軍等［6］通過(guò)對(duì)機(jī)艙總段吊裝過(guò)程進(jìn)行有限元計(jì)算，驗(yàn)證了吊裝方案的可行性。

本文以某型船的機(jī)艙總段EZ03C為例，根據(jù)總段質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)吊車(chē)情況和吊索具制訂吊裝方案，對(duì)垂直起吊狀態(tài)下的機(jī)艙總段進(jìn)行有限元分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果制訂加強(qiáng)措施，并通過(guò)仿真驗(yàn)證措施的可行性。

1 吊裝方案的確定

EZ03C總段由5 個(gè)分段總組而成，其長(zhǎng)度為13.50 m，寬度為16.00 m，高度為8.75 m，總段的質(zhì)量和重心見(jiàn)表1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)船臺(tái)起吊設(shè)備的實(shí)際情況，在確保安全的前提下，采用2 臺(tái)起重能力為120 t的門(mén)座式起重機(jī)與2 臺(tái)起重能力為80 t的門(mén)座式起重機(jī)聯(lián)合吊運(yùn)的起吊模式。考慮到總段的質(zhì)量和重心理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際之間的差異，還有其他一些不確定性因素和安全要求，采取由1 人指揮、4 人操作起重機(jī)聯(lián)吊的模式，安全吊重按4 臺(tái)起重機(jī)額定吊重的80%計(jì)算，安全吊重為320 t，扣除吊排、鋼索和卸扣等吊索具附件的質(zhì)量（共計(jì)15.3 t），總段的理論最大起吊重量為304.7 t，且要滿足每臺(tái)吊車(chē)的載荷都在其安全吊重之內(nèi)。

表1 EZ03C總段的質(zhì)量和重心

根據(jù)總段的外形尺寸、質(zhì)量、重心位置和4 臺(tái)門(mén)座式起重機(jī)船臺(tái)的布置情況進(jìn)行吊環(huán)布置，其中，艏部吊環(huán)由2 臺(tái)80 t 門(mén)座式起重機(jī)通過(guò)160 t吊排起吊，艉部吊環(huán)由2 臺(tái)120 t 門(mén)座式起重機(jī)起吊。吊環(huán)應(yīng)盡量設(shè)置在分段強(qiáng)結(jié)構(gòu)處，在設(shè)置其位置時(shí)要考慮受力方向，盡量保證吊環(huán)的受力方向在吊環(huán)面內(nèi)，盡量不要在易導(dǎo)致吊環(huán)發(fā)生彎曲的方向安裝吊環(huán)，若不能保證吊環(huán)的受力方向在吊環(huán)面內(nèi)，要保證A 型的橫向受力角度在18°以內(nèi)。該總段分別于#153、#156、#166 和#168 等4 個(gè)肋位布置吊環(huán)，具體布置情況見(jiàn)圖1。

圖1 EZ03C總段吊環(huán)布置及受力示意圖

EZ03C總段吊裝過(guò)程中的計(jì)算工況為垂直起吊工況，如圖1 所示，#153 和#156 肋位處2 根吊帶左右舷端部分別匯于160 t吊排兩端，吊排中心處受到塔吊的拉力合力T2；T21和T22為吊排對(duì)左右舷端部吊帶的拉力，根據(jù)對(duì)稱性，T21=T22=T2/2。#166 ～#168 肋位處左右舷端部分別匯于1 個(gè)吊點(diǎn)，吊點(diǎn)所受塔吊拉力T11和T12在中縱剖面內(nèi)的投影之和為T(mén)1，令二者與重心的距離分別為d1和d2，根據(jù)船體結(jié)構(gòu)型值和總段重心位置計(jì)算得到d1=2 508 mm，d2=3 742 mm。圖2 為EZ03C總段中縱剖面投影受力圖。根據(jù)垂向受力平衡和對(duì)重心力矩平衡條件

圖2 EZ03C總段中縱剖面投影受力圖

求得各吊車(chē)和吊環(huán)受力情況見(jiàn)表2。

表2 EZ03C總段各吊車(chē)和吊環(huán)受力情況 單位：t

許用應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)為

式（2）中：σs為鋼材屈服強(qiáng)度，EZ03C 總段船體采用L907A，σs=390 MPa；n 為安全系數(shù)，合成應(yīng)力取1.5；β為鋼材屈服比系數(shù)，取1.0。

船體結(jié)構(gòu)許用合成應(yīng)力σ=260 MPa。

2 有限元強(qiáng)度分析

本文采用MSC Patran軟件建立整個(gè)機(jī)艙總段模型；模型采用3 節(jié)點(diǎn)與4 節(jié)點(diǎn)shell 單元；扶強(qiáng)材采用偏心量beam單元，網(wǎng)格尺寸取250 ×250；在吊環(huán)位置進(jìn)行局部細(xì)化，網(wǎng)格尺寸為50 ×50。材料參數(shù)：彈性模量E=2.06105MPa；密度為7.85 ×10-9t/mm3；泊松比為0.3。有限元模型見(jiàn)圖3；吊環(huán)區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化情況見(jiàn)圖4。有限元模型重心位置X=#161 +426，Y=0.009 m，Z=3.778 m，質(zhì)量為116.32 t。有限元模型與實(shí)際模型的偏差在合理范圍內(nèi)，因此該模型是可用的。在未采取任何加強(qiáng)措施的情況下對(duì)機(jī)艙總段進(jìn)行整體吊裝有限元計(jì)算，計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云圖和變形云圖見(jiàn)圖5。最大應(yīng)力為143 MPa，在#153 吊環(huán)甲板上。由于甲板上有大開(kāi)口，且艉端甲板下強(qiáng)結(jié)構(gòu)較少，最大變形出現(xiàn)在甲板上大開(kāi)口端自由邊處，達(dá)到29.5 mm，變形值太大，結(jié)構(gòu)易發(fā)生失效，因此需對(duì)結(jié)構(gòu)采取加強(qiáng)措施，以保證吊裝過(guò)程的安全性。

圖3 有限元模型

圖4 吊環(huán)區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化情況

圖5 未采取加強(qiáng)措施情況下計(jì)算得到的應(yīng)力云圖和變形云圖

根據(jù)總段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，1 甲板上有大開(kāi)口，艉端1 甲板下強(qiáng)結(jié)構(gòu)少于2 甲板，缺少有效支撐，#153 與#166吊環(huán)下只有強(qiáng)橫梁，不能對(duì)吊環(huán)承受的拉力進(jìn)行有效傳遞。結(jié)合未采取加強(qiáng)措施的1 甲板和吊環(huán)下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形情況，采取以下加強(qiáng)方案：在甲板艉端采用槽鋼對(duì)結(jié)構(gòu)自由邊進(jìn)行加強(qiáng)，在艉端1 甲板與二甲板之間增加5 根槽鋼進(jìn)行加強(qiáng)，增加1 甲板的支撐性，在#153 和#166 吊環(huán)下加設(shè)槽鋼進(jìn)行支撐，具體加強(qiáng)方式見(jiàn)圖6 中的矩形框。

圖6 加強(qiáng)方式

采取加強(qiáng)措施之后，重新對(duì)機(jī)艙總段進(jìn)行整體吊裝有限元計(jì)算，最大應(yīng)力值為74.2 MPa，出現(xiàn)在#153 吊環(huán)下縱壁上靠近吊環(huán)端的位置，應(yīng)力較大區(qū)域主要出現(xiàn)在16 個(gè)吊環(huán)所在甲板和甲板下結(jié)構(gòu)處，但應(yīng)力值都小于許用應(yīng)力260 MPa，因此結(jié)構(gòu)是安全的。最大變形值為7.9 mm，出現(xiàn)在1 甲板中部大開(kāi)口自由邊處。從變形云圖中可看出，1 甲板上布有吊環(huán)的4 塊區(qū)域和甲板下結(jié)構(gòu)變形值相對(duì)較大，平均達(dá)到5 ～8 mm，但相比采取加強(qiáng)措施之前的結(jié)構(gòu)，變形情況有顯著改善，都在結(jié)構(gòu)安全范圍內(nèi)，因此該加強(qiáng)方案是可行的。采取加強(qiáng)措施之后計(jì)算得到的應(yīng)力和變形云圖見(jiàn)圖7。采取加強(qiáng)措施之后部分位置的應(yīng)力和變形見(jiàn)表3。圖8 為采取加強(qiáng)措施之后部分位置的應(yīng)力和變形云圖。#153 和#166 吊環(huán)下端缺少支撐，通過(guò)在強(qiáng)橫梁與2 甲板之間增加槽鋼，使起吊狀態(tài)下1 甲板承受的拉力能有效地通過(guò)槽鋼傳遞，變形值顯著減小。

圖7 采取加強(qiáng)措施之后計(jì)算得到的應(yīng)力云圖和變形云圖

表3 采取加強(qiáng)措施之后部分位置的應(yīng)力和變形

圖8 采取加強(qiáng)措施之后部分位置的應(yīng)力和變形云圖

3 安全保障措施

總段吊裝加強(qiáng)方案確定之后，若要保證總段整體吊裝的安全性，還需在總段吊裝之前進(jìn)行技術(shù)檢查：吊環(huán)的制作和安裝需經(jīng)檢驗(yàn)合格；總段的裝配和焊接需經(jīng)驗(yàn)收合格；總段內(nèi)多余的影響重量的設(shè)備應(yīng)清除，包括分段吊環(huán)、分段臨時(shí)加強(qiáng)、艙內(nèi)積水和工裝件等。吊裝作業(yè)開(kāi)始之前，應(yīng)編制總段吊裝指揮網(wǎng)絡(luò)圖，吊裝工作應(yīng)有嚴(yán)密的組織機(jī)構(gòu)，做到統(tǒng)一指揮、分步實(shí)施、職責(zé)分明、責(zé)任到人。使用吊裝設(shè)備之前需對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格檢查，在確認(rèn)無(wú)損壞的情況下方可投入使用。吊裝過(guò)程中應(yīng)密切注意起吊負(fù)荷狀態(tài)。為保證吊裝的安全性，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速超過(guò)5 級(jí)時(shí)，應(yīng)停止進(jìn)行吊裝作業(yè)。在采取加強(qiáng)方案并嚴(yán)格執(zhí)行吊裝安全保障措施的情況下，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)船吊裝成功，船體實(shí)際發(fā)生的變形在合理控制范圍以內(nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

提高總段預(yù)舾裝率對(duì)縮短建造周期、降低制造成本有積極意義，但隨著總段質(zhì)量的增加，總段吊裝安全性的要求提高，總段吊裝方案的確定需考慮總段質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、吊車(chē)情況、吊索具和吊環(huán)等諸多因素。由于EZ03C總段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，甲板上有大開(kāi)口且艉端吊環(huán)下端強(qiáng)結(jié)構(gòu)較少，在未采取加強(qiáng)措施的情況下，艉端大開(kāi)口自由端變形明顯，存在結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)變形明顯區(qū)域位置制訂加強(qiáng)方案，在對(duì)1 甲板艉端大開(kāi)口處及#153 和#166 吊環(huán)下增設(shè)槽鋼加強(qiáng)之后，總段吊環(huán)過(guò)程中變形顯著減小，最大應(yīng)力為74.2 MPa，小于許用應(yīng)力，加強(qiáng)方案是可行的。通過(guò)綜合多方面因素編制的吊裝方案、有數(shù)值模擬仿真結(jié)果支撐的加強(qiáng)方案、吊裝前詳細(xì)的技術(shù)檢查和吊裝過(guò)程中安全保證措施，確保機(jī)艙總段整體吊裝過(guò)程的安全性和吊裝成功。