翟高進， 盧蓉芝， 張 開

(1.無錫市地方海事局, 江蘇 無錫214043； 2.江蘇省泰興中等專業(yè)學(xué)校, 江蘇 泰州225400；3.泰州口岸船舶有限公司, 江蘇 泰州225321)

0 引 言

載重量38 000 t散貨船是泰州口岸船舶有限公司為香港船舶所有人建造的同型號系列雜貨船，該型散貨船總長為180 m，兩柱間長為179.9 m，型寬為30 m，型深為15.2 m，設(shè)計吃水為9.5 m，載重量為38 500 t，入級LR船級社。為了提高造船效率，在建造過程中決定將該船尾部4個分段合并成1個總段后進行吊裝，以達到縮短船塢周期的目的。

船體吊裝涉及結(jié)構(gòu)重量重心計算、吊點位置選取、吊馬型號選擇和船臺起重能力等多個方面，是一項非常復(fù)雜的造船工藝。因此，在艉部總段吊裝前，需對整體吊裝方案進行驗證，并根據(jù)驗證結(jié)果進行必要的調(diào)整和優(yōu)化，確保吊裝工程安全[1]。

目前，船體結(jié)構(gòu)吊裝分析的主要方法有經(jīng)驗法、總體分析法和有限元分析法[2-4]。本文采用BLS(Block Lifting System)船舶吊裝仿真軟件對該散貨船尾部總段吊裝進行計算。應(yīng)用該軟件的TRIBON接口及網(wǎng)格劃分工具可快速導(dǎo)入船體結(jié)構(gòu)并劃分有限元模型。該軟件可按照預(yù)定的吊裝方案進行吊點、吊馬和吊排等起吊設(shè)置，通過三維仿真模塊模擬船體結(jié)構(gòu)的實際吊裝過程，計算有限元模型的位移邊界條件和力的邊界條件，并進行有限元計算分析。

1 艉部總段概況

艉部總段E1由EB01、AB01、EG11、EG12P/S組成，E1總段的基本信息如表1所示，總段質(zhì)量為510 t，吊馬共計16個，總段質(zhì)量包括船體結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道、舾裝等質(zhì)量。艉部總段的吊裝方案如圖1所示：兩臺上小車排布在總段的左舷，上小車吊鉤與左舷主甲板上4個D40型吊馬和左舷外板上4個E40型吊馬相連，下小車與右舷主甲板上8個D40型吊馬相連。吊裝時3臺小車一起平吊，完成艉部總段的總組搭載。

表1 艉部總段吊裝基本信息

圖1 艉部總段吊裝模型

為保證艉部結(jié)構(gòu)在吊裝過程中的強度，設(shè)置臨時加強如下：

(1) 在左舷艉部平臺與舷側(cè)艙室壁間設(shè)置工字鋼臨時加強，如圖2所示。

圖2 左舷臨時加強

(2) 在右舷主甲板與外板間設(shè)置工字鋼臨時加強，如圖3所示。

圖3 右舷臨時加強

在該吊裝及加強方案中，對吊馬區(qū)域的板厚進行局部補強，將吊馬區(qū)域的甲板厚度從8 mm提高到14 mm，在吊馬反面增加邊長為250 mm、厚度為14 mm的三角肘板。

2 船體尾部總段有限元計算模型

通過BLS軟件的TRIBON接口，直接導(dǎo)入艉部總段的三維模型，并設(shè)置幾何和材料屬性。通常應(yīng)力集中部位大多出現(xiàn)在吊馬附近和開口結(jié)構(gòu)處，按照這一規(guī)律，在導(dǎo)入艉部總段時，對模型作合理簡化：移除板縫及管穿孔，去除直徑小于300 mm的小孔，忽略尺寸較小的肘板，采用等效梁元模擬縱骨的型材等。

導(dǎo)入模型后采用笛卡爾坐標系，原點設(shè)置在船體的FR 0處，x軸以船首方向為正，y軸以向左舷方向為正，z軸以船高方向為正。參考中國船級社《船體結(jié)構(gòu)強度直接計算指南》[5]劃分模型有限元網(wǎng)格，網(wǎng)格為QUAD4四邊形SHELL單元。控制四邊形網(wǎng)格的最小角度大于45°，相鄰網(wǎng)格尺寸變化梯度小于1.5。如圖4所示，艉部總段有限元模型共有83 760個四邊形單元，2 129個一維板架及肋板屬性。

圖4 艉部總段有限元模型

應(yīng)用BLS吊裝軟件模擬吊裝過程，計算在平吊過程中各吊馬的受力情況，將其和艉部總段的總質(zhì)量作為有限元模型的外載荷。各吊馬(L 1～L 16)的受力情況如表2所示。

表2 各吊馬的受力情況

3 計算結(jié)果及安全評定

3.1 計算結(jié)果

經(jīng)過BLS內(nèi)部求解器計算后，艉部總段平吊時的全局變形云圖如圖5所示，結(jié)構(gòu)的最大變形為23.58 mm，出現(xiàn)在左舷FR 16設(shè)置吊馬的部位。艉部總段平吊時的全局應(yīng)力云圖如圖6所示，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為267 MPa，出現(xiàn)在左舷FR 18設(shè)置吊馬及加強的部位。

圖5 艉部總段變形計算結(jié)果

圖6 艉部總段應(yīng)力計算結(jié)果

船體設(shè)置吊馬的部位及其他重要結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力結(jié)果如表3所示。

表3 變形及應(yīng)力結(jié)果匯總

3.2 安全評定

(1) 強度評定。為保證吊裝作業(yè)安全進行，選取吊裝安全因數(shù)s=1.5，艉部總段結(jié)構(gòu)采用A鋼，屈服強度為235 MPa，結(jié)構(gòu)應(yīng)力不允許超過156 MPa(235 MPa/1.5≈156 MPa)，否則認為結(jié)構(gòu)在吊裝過程中會出現(xiàn)危險。

由表3可知，艉部總段承受的最大應(yīng)力為267 MPa，大于156 MPa，因此判定結(jié)構(gòu)強度不滿足安全吊裝要求，需在左舷FR 16～FR 20肋位設(shè)置吊馬、甲板強橫梁和縱桁，以及舷側(cè)強肋骨處做臨時加強。

(2) 變形評定。結(jié)合船廠工程經(jīng)驗，結(jié)構(gòu)在1 000 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)1～3 mm的變形，認為整體吊裝是安全的，規(guī)定艉部總段吊裝的變形比例為2/1 000。

艉部總段最大變形為23.6 mm，其所在結(jié)構(gòu)的總尺寸為21 810 mm，變形比例為1/1 000，小于2/1 000，判定結(jié)構(gòu)變形滿足安全吊裝要求。

綜上所述，結(jié)構(gòu)變形在規(guī)定的安全準則范圍內(nèi)，但結(jié)構(gòu)強度不滿足安全吊裝要求，需做臨時加強。

4 加強方案設(shè)計及驗證

4.1 加強方案設(shè)計

根據(jù)有限元計算的評定結(jié)果，對強度不足的薄弱部位做臨時加強，加強方案如下：

(1) 由于左舷吊馬設(shè)置在FR 16～FR 20肋位外板自由邊處，因此將原吊馬反面的肘板加強修改為扁鐵加強，扁鐵規(guī)格為250 mm×14 mm。增加扁鐵加強提高了結(jié)構(gòu)的整體連續(xù)性，從而加強外板自由邊強度。

(2) 由于右舷設(shè)置吊馬區(qū)域的甲板與平臺之間缺少有效支撐，在非吊馬區(qū)域強橫梁的應(yīng)力較大，因此在FR 29、FR 31肋位處的強橫梁位置增加垂直工字鋼做臨時加強，從而增加平臺整體強度，減少平臺強橫梁應(yīng)力。

(3) 由于右舷船底雙層底與平臺之間的空間較大，結(jié)構(gòu)較弱，因此將原來舷側(cè)強肋骨與雙層底內(nèi)底板板間肘板增加至500 mm×500 mm×14 mm，從而減小強肋骨端部應(yīng)力。

4.2 加強方案可行性驗證

針對加強后的艉部總段重新進行有限元計算，加強前后的計算結(jié)果對比如表4所示。

表4 加強前后計算結(jié)果對比

由表4可知，在重新設(shè)置加強方案后，原局部薄弱結(jié)構(gòu)的強度都明顯提高，總體應(yīng)力均降至156 MPa以下，且結(jié)構(gòu)變形明顯減小。由此判斷加強方案可行，能有效提高結(jié)構(gòu)強度，減小結(jié)構(gòu)變形。

5 結(jié) 論

艉部總段整體吊裝可有效提高搭載效率、縮短船塢周期，為其他船型的建造提供借鑒。根據(jù)優(yōu)化后的吊裝方案，泰州口岸船舶有限公司順利完成載重量38 000 t散貨船尾部總段的吊裝。現(xiàn)場總段吊裝情況如圖7所示。

圖7 艉部總段吊裝現(xiàn)場圖

通過本文計算分析得出以下結(jié)論：

(1) BLS吊裝軟件可從TRIBON生產(chǎn)設(shè)計中直接導(dǎo)入船體模型，實現(xiàn)從生產(chǎn)設(shè)計模型到有限元模型的轉(zhuǎn)換，并能模擬吊裝過程，大幅節(jié)省船體建模工作量，提高船體吊裝分析效率。

(2) 計算表明，艉部總段吊裝時的最大應(yīng)力在左舷外板吊馬附近，如果在吊馬反面增加連續(xù)扁鐵加強，可提高結(jié)構(gòu)連續(xù)性，減少自由邊變形，從而有效減少吊裝時結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形。

(3) 對于空間較大的艉部總段、艏部總段、機艙總段吊裝，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部甲板與平臺之間、不同平臺之間增加垂直工字鋼加強，可提高結(jié)構(gòu)整體強度，有效實現(xiàn)力的傳遞。