胡 劍，高 雙，朱 翔，李天勻

(華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074)

復合材料上層建筑分段吊裝方案力學仿真分析

胡 劍，高 雙，朱 翔，李天勻

(華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074)

采用有限元法對復合材料上層建筑分段吊裝過程進行力學分析并提出合理的吊裝方案以控制吊裝過程中的變形和應力?？紤]到復合材料上層建筑的特點，建立鋼骨架和復合材料殼板組成的有限元模型，分析不同起吊約束對上層建筑變形的影響；選取偏于保守的約束條件，進行加載求解。通過計算，對分段結構進行合理加強，確保上層建筑在吊裝過程中不發(fā)生過大的變形和應力。結合工藝要求，提出 4 種吊裝方案，計算每種吊裝方案下上層建筑分段的強度與剛度特性，優(yōu)選出較為合理的吊裝方案。在此基礎上還將上層建筑簡化為鋼骨架模型，分析鋼骨架的變形和應力，進一步驗證吊裝方的合理性，并校核連接鋼骨架和復合材料板格的螺栓強度，結合工程實際給出了最優(yōu)的吊裝方案。

復合材料；上層建筑；分段吊裝；有限元

0 引 言

復合材料結構由于具有良好的力學性能，已越來越多應用于艦船結構[1-2]。艦船的上層建筑在建造中有著較高要求，其外殼可以采用復合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼結構。上層建筑采用分段建造吊裝，可提高勞動生產(chǎn)效率、縮短建造周期、降低建造成本，但是復合材料上層建筑結構具有復合材料板格尺度大、剛度小的特點，使得其相較于傳統(tǒng)的鋼結構艙段，有更高的吊裝工藝要求。吊裝前需要對分段添加的各類加強結構，這一方面會增加整個工程施工成本，另一方面對結構進行加強的焊接等工藝不可避免的會影響原始結構的力學特性[3]。如何保證分段在吊裝過程中的強度和變形要求，合理的設計起吊方案以及加強方案成為吊裝中的實際問題。

ZHANG J P 等[4]對大型船舶分段吊裝方案進行研究，提出船舶分段吊裝的工藝要求和注意事項。楊永謙等[5]計算了上層建筑結構在吊裝過程中的變形和應力狀態(tài)，并與實測值進行了比較，為上層建筑進行整體吊裝的可行性提供了依據(jù)。鐘興錦[3]運用有限元分析軟件建立船舶分段模型，進行強度分析，將有限元分析結果和理論計算結果進行比較，制定出規(guī)范的分段吊裝計算方法。張延昌等[6]利用有限元軟件對油船上層建筑結構在自重作用下的響應進行了分析，提出合理有效的結構加強措施。李永正等[7]以某大型FPSO 為研究對象，利用有限元軟件對其上層建筑整體吊裝進行有限元強度分析。但是關于以復合材料為主體的復合材料上層建筑分段吊裝研究目前相對較少。

本文結合船舶的某一典型分段，通過有限元方法，分析復合材料上層建筑在吊裝過程中的強度與剛度特性，確保上層建筑分段在吊裝過程中，不發(fā)生較大的變形乃至破壞等問題；結合工程實際，給出合理的局部加強方案和最優(yōu)的吊裝方案。

1 復合材料板上層建筑模型

1.1 復合材料上層建筑建模

復合材料上層建筑在建造過程中，首先在內(nèi)場進行分段建造，然后分段吊裝上船臺，本文以某一典型分段（見圖 1）為例介紹其結構特點。分段結構是由復合材料殼板和鋼制骨架組合而成，按設計要求焊接好鋼骨架后，將預制好的復合材料板格鋪設于鋼骨架之上，并與鋼結構梁通過螺栓進行連接。鋪設的復合材料板為 3 層夾芯板結構，外部 2 層為層合板，中間層為 PVC 泡沫材料。

圖 1 上層建筑示意圖Fig. 1 Schematic diagram of superstructure

由于本文主要考慮在吊裝過程中分段的變形控制和應力控制，而螺栓本身的剛度很大，對于整個分段吊裝力學性能而言，螺栓的影響較小。同時，由于實際分段中殼板安裝在鋼骨架上所用的螺栓的數(shù)量很多，且螺栓與骨架連接部位都存在復雜的接觸關系，因此有必要對實際模型進行簡化。在有限元模型中，并不直接建立螺栓結構，但考慮其質(zhì)量，將其質(zhì)量分攤到支撐復合材料殼板的鋼骨架上。同時考慮到焊接[8]等工藝因素，對鋼骨架密度進行調(diào)整，保證分段質(zhì)量合理準確。

簡化后的有限元模型中鋼骨架采用梁單元，復合材料殼板采用復合材料板單元。單元長度劃分為 30 mm，并通過試算檢驗了網(wǎng)格大小的合理性，有限元模型如圖 2 所示。

圖 2 上層建筑有限元模型Fig. 2 The FEM model of superstructure

1.2 約束條件及載荷的確定

不同的起吊方式對上層建筑吊裝過程中的力學特性影響不同，為了在有限元仿真計算中選擇較為合理的起吊約束方式，需選擇不同的起吊約束方案進行對比計算（有限元模型中約束點的位置即為初選的起吊點）。由于復合材料板是以螺栓連接的方式安裝在鋼骨架上，考慮到需要在分段上焊接起吊工裝，起吊點只能選擇在鋼骨架上。對不同的起吊約束模型方案進行對比計算，從中選取偏于保守的方案作為有限元模型計算的約束方案。

首先初步設定起吊點在縱橫鋼骨架的 4 個交點上，如圖 3 所示。圖 3 和圖 4 分別給出了 2 種起吊約束方案。圖 3 中，在高于分段平面 5 m 處設置“固定”的假設吊鉤點，將分段上的 4 個起吊點和吊鉤所在的節(jié)點進行 x、y 和 z 三個方向的平動耦合約束（約束方案 1）；圖 4 中，對分段的 4 個吊裝點，僅約束豎直方向上的位移（約束方案 2），相當于吊鉤點位于分段正上方的無窮遠處。

圖 3 上層建筑分段吊裝點平動耦合約束Fig. 3 The translational coupling constraints of superstructure subsection hoisting point

圖 4 上層建筑分段吊裝點的豎直約束Fig. 4 The vertical constraints of block hoisting point

在起吊計算中，根據(jù)船舶上層建筑吊裝規(guī)范[9]，考慮起吊加速度帶來的慣性載荷影響，取垂向重力加速度為 1.1 g（g 為重力加速度），其余方向為 0。由于起吊作業(yè)過程比較緩慢，因此可以認為是一個準靜態(tài)的過程，對模型進行靜力分析，并選取 Mises 應力和合成位移作為應力和變形的參考值。

對于復合材料板組成的上層建筑，吊裝中主要考慮鋼骨架以及復合材料殼板的變形。若復合材料板吊裝時變形過大，有可能不利于后續(xù)安裝，甚至對復合材料板產(chǎn)生破壞。因此分段吊裝的主要參考指標為板格的變形，工程要求變形小于 6 mm，同時兼顧結構的應力水平。

上層建筑分段在 2 種約束方案下分別進行了靜力計算，其計算應力與位移結果如圖 5 和圖 6 所示。

圖 5 上層建筑分段采用約束方案 1 的應力和位移云圖Fig. 5 The Mises stress and Magnitude displacement nephogram of hoisting plan 1

圖 6 上層建筑分段采用約束方案 2 的應力和位移云圖Fig. 6 The Mises stress and Magnitude displacement nephogram of hoisting plan 2

由圖 5 和圖 6 結果對比可知：對于起吊點豎直約束（方案 2）的情況，最大合成位移為 17 mm，位置在邊界的板格自由邊上；而方案 1 的耦合約束方案中板格最大合成位移 15 mm，可見方案 2 豎直起吊約束會使計算結果偏大。和方案 2 中的豎直約束相比，因為約束方案 1 會使得吊索產(chǎn)生較大的橫向力，該力會抑制板格的變形。因此，應選取偏于保守結果的約束方案，即在分段的吊點上都采用施加豎直方向的約束作為邊界條件。

1.3 加強方案的確定

從 1.2 節(jié)分析可知，分段的殼板結構依然有 17 mm的靜變形，與工藝要求的最大變形控制在 6 mm 以內(nèi)相差甚遠，故有必要對分段進行局部加強。由圖 5 和圖 6 位移云圖可知分段的最大位移均發(fā)生在自由邊界，綜合考慮實際中的吊裝工藝，有必要在分段結構的自由邊上進行加強，加強方案如圖 7 所示（圖中粗黑線標出）。考慮到實際工藝，選取 16 a 槽鋼加強，其加強后的效果如圖 8 所示。

圖 7 上層建筑分段的加強方案Fig. 7 The reinforce plan of superstructure subsection

圖 8 上層建筑分段加強后效果圖Fig. 8 The figure of superstructure subsection after strengthened

2 復合材料板上層建筑吊裝方案分析計算

根據(jù)前文選擇的加強和起吊方式，需要選擇合理的起吊點位置，確保起吊過程中分段的應力和變形都比較小，從而確定起吊方案?？紤]工藝易于實現(xiàn)，選取的起吊點位置主要分布在上層建筑的鋼骨架相交處以及結構的水平方向的鋼骨架上。提出 4 種吊裝方案：方案 1 起吊點位于中間骨材交點處，方案 2 起吊點位于邊界骨材交點處，方案 3 起吊點位于中間骨材與邊界骨材中點處（1/2 位置），方案 4 起吊點位于中間骨材與邊界骨材靠近中間 1/4 位置處，各方案如圖 9所示。

圖 9 上層建筑分段吊裝方案Fig. 9 The hoisting plan of superstructure subsection

為防止分段在吊裝過程中發(fā)生側翻，要求分段重心落在 4 個吊點組成的平面的豎直投影范圍內(nèi)。經(jīng)計算，以上提出的各方案均滿足此要求。

由表 1 及圖 10 應力和變形云圖可知，上層建筑分段在不同的吊裝方案中，吊裝應力均遠小于鋼結構的屈服應力。比較 4 種吊裝方案，方案 3 和方案 4 均為較優(yōu)結果，應力變形條件均滿足吊裝工藝要求，方案3 最大變形位于中部水平板上，方案 4 最大變形位于兩側水平板，考慮到在實際吊裝過程中，由于繩索與板面存在夾角，故會在一定程度上會減小板兩側的變形，而會加大板中部的變形，故在實際吊裝過程中，方案 4 較方案 3 更優(yōu)。

圖 10 上層建筑分段四種吊裝方案下的應力云圖及變形云圖Fig. 10 The Mises stress and Magnitude displacement nephogram of superstructure subsection for four hoisting plans

表 1 上層建筑分段吊裝計算結果Tab. 1 Summary of structure stress and deformation calculation results caused by lifting

3 上層建筑鋼骨架力學性能分析

上節(jié)主要計算了上層建筑分段整體在吊裝過程中的板格變形，并通過計算結果討論，給出了上層建筑分段的預選起吊方案。然而，由于對模型螺栓連接進行的簡化處理使得有限元仿真模型的剛度增大，因此本節(jié)考慮將模型中的復合材料板移除，但將其質(zhì)量通過調(diào)整鋼骨架密度的方式分攤到上層建筑的鋼骨架上。這樣，在保持模型總質(zhì)量不變的情況下，移除了復合殼板部分的剛度，使得整個分段的剛度僅由鋼骨架來承擔，故計算出的結果偏于保守和安全。以此來考察鋼骨架在吊裝過程中是否會產(chǎn)生過大的變形。如圖 11 所示，為上層建筑分段的全鋼骨架有限元模型，通過改變鋼骨架的密度，將復合材料殼板及螺栓的質(zhì)量分攤到鋼骨架上。

圖 11 上層建筑分段全鋼骨架模型Fig. 11 The steel skeleton model of block

由表 2 及圖 13 應力變形云圖可知，對于鋼骨架結構，吊裝過程中的應力遠小于鋼結構的屈服應力。比較 4 種吊裝方案，方案 3 和方案 4 均為較優(yōu)結果，這與整體吊裝計算的結果一致；同樣，方案 3 最大變形位于骨材上下邊中部，方案 4 最大變形位于骨材上下邊四角。在實際吊裝過程中，由于起吊的繩索與板面存在角度，故會在一定程度上減小板兩側的變形。同時考慮到上節(jié)整體計算中板格的變形，可以確定上層建筑分段吊裝方案 4 為最優(yōu)方案。從以上計算結果中可見，在偏于保守的計算中，提出的方案滿足工藝要求，進一步說明了加強方案和起吊方案的合理性。

4 螺栓強度校核

上層建筑復合材料板與鋼骨架是以螺栓連接，因此有必要校核上層建筑吊裝過程中螺栓的強度。通過靜力計算的結果提取 4 個吊點的支反力，取吊繩和分段平面的夾角為 60°，則可以得到垂向力和切向力，由于每個吊點位置布置有 4 個螺栓，選取危險的情況，假設 4 個中只有 2 個受力，計算出每個螺栓所受的拉應力、切應力和擠壓應力分別為 22.814 MPa，13.171 MPa和 7.898 MPa。

表 2 上層建筑分段骨架計算結果Tab. 2 Summary of structure stress and deformation calculation results caused by lifting

圖 12 上層建筑分段骨架 4 種吊裝方案下的應力云圖及變形云圖Fig. 12 The Mises stress and Magnitude displacement nephogram of steel skeleton models for four hoisting plans

上層建筑采用的螺栓為 8.8 級螺栓，查詢規(guī)范取安全系數(shù)為 3，根據(jù)機械設計手冊可得螺栓的許用切應力為，許用擠壓應力為，則可計算出該螺栓的許用拉應力、剪切應力和擠壓應力分別為 213 MPa，85 MPa，171 MPa。由此可知，該吊裝過程中螺栓的強度滿足要求。

5 結 語

本文結合艦船典型復合材料分段的吊裝工藝，通過有限元方法，分析了復合材料上層建筑分段吊裝過程中的力學特性，選擇了較為合理的加強方案和吊裝方案，結合工程實際給出了優(yōu)選的吊裝方案并得到如下結論：

1）對上層建筑吊裝過程而言，自由邊會產(chǎn)生較大的變形，因此需要對自由邊進行加強，經(jīng)計算 16 a 槽鋼滿足要求。

2）針對上層建筑分段，提出了 4 個吊裝方案，對比分析應力和變形并考慮最大變形位置，選擇了方案 4，為工程實際吊裝提供參考。

3）將復合材料板和螺栓結構均簡化到鋼骨架上，進行偏危險的吊裝方案計算，為實際吊裝提供進一步參考。實際施工過程中采用本文給出的吊裝方案，順利完成了分段吊裝任務。

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Mechanical simulation analysis of the block lifting scheme of composite superstructure

HU Jian, GAO Shuang, ZHU Xiang, LI Tian-yun
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

To control the deformation and stress of the lifting subsection, the finite element method is used to analyze the composite superstructure subsection and the reasonable lifting plans are put forward. Considering the characteristics of composite materials superstructure, under different constraint conditions, the response of superstructure is studied. To avoid problems of large deformation and stress in the process of lifting, the hoisting structures are modified and reinforced reasonably after calculation. For the four hoisting plans, the strength and rigidity characteristics of the superstructures are calculated correspondingly and the reasonable lifting schemes are chosen. To verify the different lifting schemes, the steel frames which are simplified from the composite superstructure block are calculated. The strength of bolts are checked. Combining with practical engineering, the optimal lifting scheme is given at last.

composite materials；ship superstructure；block lifting；finite element method

U663.1

A

1672 - 7619(2017)02 - 0042 - 06

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.008

2016 - 05 - 06；

2016 - 06 - 21

船舶預研支撐技術基金資助項目（13J1.3.2）

胡劍(1978 - )，男，碩士研究生，研究方向為船舶結構力學。