黃 健，周洪元，奚 健，曹云勇

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引 言

以往國內(nèi)船廠通常采用甲板吊環(huán)吊裝與鋼梁托架吊裝兩種方式進行薄壁船體總段吊裝[1]。采用甲板吊環(huán)吊裝過程中由于應(yīng)力集中可能造成薄壁船體總段嚴(yán)重變形甚至撕裂板材，故吊裝前需在總段內(nèi)進行大量永久性和臨時性加強。采用鋼梁托架方式將船體總段放置在鋼梁托架上進行吊裝，較好地解決了吊環(huán)吊裝應(yīng)力集中引起結(jié)構(gòu)變形的難題，但鋼梁托架本身自重又限制了總段舾裝率，且不適用于其他船型，不利于總段建造模塊化與殼舾涂的一體化。

隨著現(xiàn)代化造船的快速發(fā)展，上述兩種吊裝方式都不利于充分發(fā)揮起吊設(shè)備的能力。而采用吊帶總段吊裝這種新型吊裝方式，則既可大幅減小吊索具的附加重量，又可避免大量不必要的結(jié)構(gòu)加強，解決了前兩種吊裝方式帶來的弊端。在船舶行業(yè)，薄壁船體總段使用吊帶吊裝尚屬首次。對船體總段實現(xiàn)殼舾涂一體化，提高船體總段預(yù)舾裝率，提高艦船建造質(zhì)量具有十分重要的意義。

1 總段結(jié)構(gòu)

E總段為某型船船體機艙總段，是典型的深V型薄壁船體總段，其位于#58～#110肋位之間，設(shè)有1甲板、2甲板和內(nèi)底。1甲板在E總段范圍內(nèi)縱向連續(xù)，在#72～#84肋位之間距中2280mm內(nèi)具有機艙大開口。2甲板#59～#106肋位之間間斷，內(nèi)底在E總段范圍內(nèi)縱向連續(xù)，E總段每兩檔肋位設(shè)有肋骨框架，#98和#110肋位處設(shè)置橫艙壁，總段結(jié)構(gòu)為縱骨架式，板材型材均采用低合金高強度鋼，1甲板板厚3～4mm,外板厚度為6～7mm。

2 吊帶吊裝方案

2.1 船體總段的質(zhì)量重心計算

根據(jù)各專業(yè)設(shè)備舾裝托盤安裝情況，對船體總段所包含的分段結(jié)構(gòu)質(zhì)量、外舾裝、內(nèi)舾裝、輪機管系、冷空調(diào)系統(tǒng)、輪機設(shè)備、電器設(shè)備、電裝附件及特種設(shè)備等，各專業(yè)的項目進行統(tǒng)計匯總，計算出E總段的質(zhì)量重心。

2.2 吊裝方案

船體總段吊裝方案是在平臺進行分段總組和總段預(yù)舾裝，船體總段由4臺門座式起重機（2臺80t吊車、2臺120t吊車）將機艙E總段抬吊運至船臺。在總段＃61、＃70、＃80、＃90、＃98和＃108肋位處設(shè)置吊帶，吊帶自一側(cè)甲板邊緣向下，沿船體表面貼繞至另一側(cè)甲板邊緣處，吊帶甲板以下部分由固定保護器將其約束于船體相應(yīng)肋骨框架內(nèi)。在E總段的艏部#61肋位#70肋位布置兩根吊帶由兩舷伸出甲板企口，由2臺80t起重機通過額定載荷為160t的吊排連接起吊，在E總段中艉部#80、#90、#98 、#108肋位布置四根吊帶，由2臺120t起重機分別連接起吊，每根吊帶由兩舷伸出甲板企口，通過卸扣與鋼絲繩連接吊排或吊鉤，4臺起重機吊重載荷相當(dāng)于分配在3個點上，從而保證載荷的合理分配。

圖1 E總段吊裝受力示意

2.3 船體總段吊帶吊裝的受力狀況計算分析

選取額定負(fù)載為50t、長度為23m的R02-50型吊帶進行吊裝。吊車對稱布置在船臺兩側(cè)，總的吊裝能力為400t，安全起吊定額按四臺吊車吊重的80%計算為320t，經(jīng)計算E總段的總質(zhì)量為215t。

吊帶吊裝的受力分析計算：具體的吊點設(shè)置及總段垂直起吊狀態(tài)的受力分析見圖1～3，#61和#70肋位處兩根吊帶左右舷端部分別匯于吊排兩端，由2臺80t吊車聯(lián)動起吊，吊排中點處受到吊車的拉力T2；T21和T22。#80至#108肋位處4根吊帶左右舷端部分別匯于一個吊點，由2臺120t吊車連動起吊，吊點所受塔吊拉力T1、T12和T11。經(jīng)詳盡計算得：F1=20.91t ，F(xiàn)2=18.27 t 。

圖2 #61和#70段左舷吊帶受力示意

圖3 #80～#108段左舷吊帶受力示意

根據(jù)船體線型的特點，船體結(jié)構(gòu)在甲板邊緣、舭部折角和底龍骨處承受吊帶張緊力在該處的合力作用，其他區(qū)域的船體外板與吊帶間無相互作用力。典型剖面（＃61肋位）吊帶受力分析見圖4。

由圖4可知，P1～P6分別為船體結(jié)構(gòu)在船底龍骨和左右舷舭部、甲板邊緣處承受的吊帶合力。根據(jù)吊裝方案，位于甲板以下部分的吊帶通過固定保護器約束于船體肋骨框架內(nèi)，因此P1～P4方向位于船體橫剖面內(nèi)，且P1和P2對稱，P3和P4對稱；位于甲板以上部分的吊帶沿船體縱向具有傾角，因此P5和P6方向與船體肋骨剖面具有夾角。

2.4 總段吊裝船臺傾斜受力分析

船臺傾斜比為1:20，傾斜角為2.86°。此時80t吊車和120t吊車的承重不變，船體總段艏部#61、#70兩個肋位吊帶受力相等（見圖 5）吊帶受力不變，沿船長方向的最大縱向分為，此時若按原定預(yù)舾裝率計算出船體總段質(zhì)量為G=231t （包括吊索具），根據(jù)垂向受力平衡和對重心力平衡條件得：T1=160t ，T2=71t，符合吊裝安全規(guī)范。

圖4 典型剖面吊帶受力示意

圖5 總段傾斜工況中縱剖面受力示意

2.5 總段吊裝變形控制技術(shù)研究

針對深V型薄壁船體總段剛性較弱等特點，首先進行吊帶的張力計算，對吊帶吊裝方案進行受力分析可知#61和#70肋位吊帶內(nèi)張力相等，#80和#108肋位吊帶內(nèi)張力相等，垂向分量之和為相應(yīng)吊點載荷，如圖3所示進行計算獲得在#61、#70肋位甲板邊緣護角器處得縱向分力為F1*cosθ1=3.59t ，F(xiàn)2在#90、#98肋位甲板邊緣(護角器處)的縱向分力為：F2*cosθ2=3.65t ，F(xiàn)2在#80、#108肋位甲板邊緣(護角器處)的縱向分力為：F2*cosθ3=10.90t 。研究表明吊帶固定工裝（保護器）能夠抵御吊帶側(cè)向分力及橫向分力，有效避免吊帶沿船長方向發(fā)生側(cè)向滑移，確保吊帶載荷作用于船體肋骨框架上，在舭部折角處具有較大的集中載荷，研究設(shè)計折角保護工裝設(shè)備可有效控制船體總段結(jié)構(gòu)變形。

國家及遼寧省教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃均明確指出，踐行知行合一，將實踐教學(xué)作為深化教學(xué)改革的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。[2]要強化課堂教學(xué)、實習(xí)、實訓(xùn)的融合，普及推廣項目教學(xué)、案例教學(xué)、情境教學(xué)等教學(xué)模式。[3]

在總段吊帶吊裝過程中，細節(jié)控制尤為重要，必須實施精度測控，制定相關(guān)的測控方法，建立測量的基準(zhǔn)面（線）與監(jiān)控點，實施全程跟蹤，進行數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計分析。

2.6 有限元計算

依據(jù)中國船級社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范（2007）》[2]（以下簡稱“規(guī)范”），對E總段吊裝過程中船體結(jié)構(gòu)強度進行校核。

根據(jù)規(guī)范3.2.16，起重機結(jié)構(gòu)件許用應(yīng)力 按下式計算得到：

式中：σS——鋼材屈服強度，E總段船體采用E36高強度鋼，σS=355MPa；n——安全系數(shù)，參照規(guī)范表3.2.16.1有風(fēng)作業(yè)工況取1.5；β——鋼材屈服比系數(shù)，參照規(guī)范表2.3.5取1.0。

E總段在吊帶吊裝狀態(tài)下進行有限元計算，結(jié)合了船體總段線型與結(jié)構(gòu)的特點，結(jié)合上述吊帶吊裝方案的受力分析計算結(jié)果，將有限元計算所得的船體結(jié)構(gòu)最大合成應(yīng)力匯總（見表1）。

表1 船體結(jié)構(gòu)最大合成應(yīng)力匯總 單位：MPa

圖6 有限元三維船體模型

有限元計算結(jié)果表明 E總段高應(yīng)力區(qū)主要集中在設(shè)置吊帶處的甲板邊緣、舷頂列板上緣、舭部外板以及相應(yīng)位置肋骨框架的局部區(qū)域，吊裝應(yīng)力小于許用應(yīng)力。船體總段吊裝船體結(jié)構(gòu)變形較小。將總段吊裝的吊帶設(shè)置在船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力相對集中的#61、#70、#80、#90、#98、#108肋位具有合理性，結(jié)構(gòu)強度較好，滿足規(guī)范要求，三維船體模型見圖6。

經(jīng)過有限元對 E總段吊帶吊裝方案的理論計算分析，在實際吊裝過程中對可能產(chǎn)生的應(yīng)力變化所采取的實際控制措施的驗證吊帶吊裝具有安全性，可靠性、實用性、通用性。

3 吊帶保護器設(shè)計制作

3.1 保護器剪切應(yīng)力計算

吊帶保護器的失效剪切應(yīng)力參照規(guī)范取材料強度的0.58倍，企口保護器與護角器材質(zhì)為A級鋼，屈服強度σs=235MPa ，護角器失效剪切應(yīng)力[τ]=0.58?σs=136.3MPa 。

根據(jù)上述船體總段吊裝狀態(tài)分析，吊帶最大縱向分力出現(xiàn)在總段調(diào)整到與船臺斜度平行時，此時吊帶最大的縱向分力為12.86t 。故護角器與船體結(jié)構(gòu)焊接部位所承受的最大剪切應(yīng)力為τ=F/S=35.73MPa<136.3MPa滿足規(guī)范要求。

3.2 保護器結(jié)構(gòu)組成

吊帶固定保護器分為企口保護器與折角保護器。企口保護器有掛板、面板、導(dǎo)向板、加強肘板、加強板、吊耳和止滑板組成，在甲板邊緣的企口內(nèi)則有加強板與三角肘板與外掛的企口保護器連接。折角保護器由加強板、擋板和填充物組成（見圖7、8）。

圖7 企口保護器示意

圖8 折角保護器示意

3.4 企口保護器使用

企口保護器在總段實際吊裝過程中的使用見圖9?？梢钥闯銎罂诒Ｗo器設(shè)置在強肋骨甲板邊緣，舷頂列板上緣的企口上。吊帶用橡膠皮包裹后穿過企口保護器與吊索具連接。

企口保護器對稱設(shè)置，企口保護器的加強肘板設(shè)置在吊帶的受力方向。

3.5 折角保護器的使用

折角保護器設(shè)置在船底與舷部外板相接的折角處，見圖10，吊帶用橡膠皮包裹后穿過擋板。

圖9 企口保護器應(yīng)用實例

圖10 折角保護器應(yīng)用實例

4 實 施

經(jīng)首制船E總段首次實施總段吊帶吊裝后（見圖11），后續(xù)船又相繼采取了三總段吊帶吊裝方法，在總段吊帶吊裝方面積累了一定的經(jīng)驗，并形成一系列工藝文件和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為其它船型實施吊帶吊裝奠定了堅實基礎(chǔ)。

圖11 總段吊帶吊裝

在充分考慮總段質(zhì)量、結(jié)構(gòu)特點和工廠設(shè)施基礎(chǔ)上，進行船體總段吊帶吊裝工藝技術(shù)研究、理論分析和有限元計算、吊點布置、結(jié)構(gòu)加強、工裝設(shè)計；根據(jù)船體總段吊裝設(shè)計要求，對船體總段吊帶等吊索具進行載荷計算、選型及設(shè)置。解決了吊帶首次應(yīng)用于船體總段吊裝、4臺起重機3吊點吊裝及傾斜船臺吊裝風(fēng)險控制等技術(shù)難點。

針對深V船型、板薄、結(jié)構(gòu)剛性較弱等特點，通過有限元計算吊帶內(nèi)張力和吊帶作用于環(huán)形總段上的載荷分布及薄壁船體總段結(jié)構(gòu)受力和變形情況，進行吊帶設(shè)置、設(shè)計吊帶固定保護工裝，保護總段結(jié)構(gòu)、有效控制總段變形。

固定保護器的設(shè)計制作不僅新穎、簡約且具實用性，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

總段建造技術(shù)屬于現(xiàn)代化造船模式，吊帶吊裝新工藝與甲板吊環(huán)或鋼梁托架吊裝相比具有自重小，可減小吊索具重量，最大限度發(fā)揮起吊能力；該吊裝方式中吊帶與總段外板線性接觸，避免了局部接觸導(dǎo)致的應(yīng)力集中，可有效降低吊裝變形，避免大量結(jié)構(gòu)加強，是船體總段吊裝工藝上的一次科技創(chuàng)新。新工藝能有效提高預(yù)舾裝率和建造質(zhì)量，縮短建造周期；吊帶可以在不同型號、不同產(chǎn)品之間交替使用，適用性廣。吊帶吊裝新工藝必將在船舶與海洋工程行業(yè)的大型總段吊裝上帶來一次重大技術(shù)革新，有著巨大的應(yīng)用前景和推廣價值。

[1] 黃 浩. 船體工藝手冊 [M] . 北京：國防工業(yè)出版社，1989.

[2] 中國船級社. 船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范（2007）[S]. 北京：人民交通出版社，2007.