張 超

(大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司 遼寧大連116113)

0 引 言

上層建筑整體吊裝已有二十多年的歷史，國內(nèi)大多數(shù)船廠都采用上層建筑整體吊裝。近年來，隨著船舶建造設(shè)施的改善和技術(shù)水平的提高，對造船速度提出更高要求。船舶的舾裝程度是制約快速造船的重要因素，上層建筑是船舶舾裝的最大部分，提高其吊裝前的舾裝程度，會大幅縮短船舶建造周期、降低造船成本。但船舶大型化使上層建筑的整體尺寸、重量越來越大，結(jié)構(gòu)剛性越來越小，船體預(yù)舾裝占比越高，上層建筑的整體吊裝越困難。

本文以 SSV(深水海工作業(yè)支持船)的上層建筑為研究對象，利用FEMAP軟件對其整體吊裝時的強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。

1 上層建筑基本情況及有限元模型

1.1 坐標(biāo)系和計(jì)算單位

坐標(biāo)系統(tǒng)采用右手坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于基平面上中心線與 FR0交點(diǎn)處。x軸為縱向，指向船艏方向?yàn)檎?；y軸為橫向，指向左舷方向?yàn)檎?；z軸為垂向，指向上方為正。

計(jì)量單位采用公制單位，長度為毫米(mm)，力為牛頓(N)，應(yīng)力為兆帕(MPa)。

1.2 材料屬性

結(jié)構(gòu)材料為A級普通鋼，屈服強(qiáng)度為 235MPa，楊氏模量為 2.06×105MPa，泊松比為 0.3，鋼材密度7.85×10-6kg/mm3。

1.3 上層建筑結(jié)構(gòu)形式及重量重心

SSV系列船的上層建筑共 5層，長 44.15m，寬27m，高 26.76m(包括雷達(dá)桅)，結(jié)構(gòu)大部分采用普通碳素鋼，吊耳及與吊耳連接結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度鋼，上層建筑總重979.387t，其重量重心數(shù)據(jù)見表1。

1.4 有限元模型

根據(jù) SSV上層建筑圖紙，利用 FEMAP軟件建立有限元模型，其中包括 5層結(jié)構(gòu)。上層建筑的甲板、圍壁、強(qiáng)橫梁的腹板使用板單元進(jìn)行模擬；骨材、加強(qiáng)筋、扶強(qiáng)材和強(qiáng)橫梁的面板使用梁單元進(jìn)行模擬；雷達(dá)桅結(jié)構(gòu)使用質(zhì)量單元進(jìn)行模擬，并用剛性單元與頂甲板連接。上層建筑中的部分肘板結(jié)構(gòu)、艙壁及強(qiáng)橫梁上的小開口結(jié)構(gòu)，對吊裝整體強(qiáng)度影響較小，未在模型中進(jìn)行模擬。有限元模型的網(wǎng)格尺寸為200mm×200mm，吊耳及附近加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸為50mm×50mm。有限元模型如圖1所示。

表1 SSV上層建筑重量重心Tab.1 Weight and center of gravity of SSV superstructure

1.5 邊界條件和荷載施加

根據(jù) SSV上層建筑的吊裝方案，計(jì)算對鋼絲繩末端約束x、y、z 3個方向的平動自由度。上層建筑吊裝需在天氣良好的條件下進(jìn)行，因此吊裝過程中整個結(jié)構(gòu)所受外載荷僅為結(jié)構(gòu)重力，即對結(jié)構(gòu)垂向施加慣性載荷 az＝1gn＝9.81m/s2。

圖1 SSV上層建筑有限元模型Fig.1 FEA model of SSV superstructure

2 上層建筑吊裝整體強(qiáng)度分析

2.1 吊耳布置

SSV上層建筑使用德浮 3600t海吊吊裝，根據(jù)上層建筑結(jié)構(gòu)形式，在船長甲板左右舷兩側(cè) FR167至 FR175區(qū)域內(nèi)各布置 8個吊耳，在駕駛甲板左右舷兩側(cè)FR139至FR143區(qū)域內(nèi)各布置8個吊耳，吊耳采用 A級普通強(qiáng)度鋼，與上建甲板及圍壁雙面角焊連接。對于 SSV上層建筑結(jié)構(gòu)，船長甲板附近外圍壁不連續(xù)，大開口長度約 13m，吊裝中增加強(qiáng)梁框架進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。吊耳布置如圖2所示。

圖2 吊耳布置及大開口位置臨時加強(qiáng)Fig.2 Pad eye arrangement and temporary reinforcement at openings

2.2 組合系數(shù)和許用應(yīng)力

SSV上層建筑結(jié)構(gòu)吊裝根據(jù) DNV船級社規(guī)范進(jìn)行分析計(jì)算。上層建筑吊裝是一個持續(xù)過程，吊運(yùn)過程中有很大的不確定性，對于上層建筑吊裝有限元分析需要考慮一系列荷載修正系數(shù)，如動態(tài)放大系數(shù)、重心偏移系數(shù)、吊索具修正系數(shù)、荷載組合系數(shù)等。具體荷載修正系數(shù)見表2。

表2 吊裝荷載修正系數(shù)Tab.2 Lifting load correction factors

上層建筑整體吊裝時，考慮材料安全系數(shù)為1.15，結(jié)合表 2中規(guī)定的各項(xiàng)荷載修正系數(shù)，可知SSV上層建筑吊裝時不同結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，其中吊耳的許用應(yīng)力為 102.02MPa，吊耳支撐結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力為 115.32MPa，其余上建結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力為132.61MPa。

2.3 上層建筑屈服強(qiáng)度校核

上層建筑吊裝時，通常根據(jù)畸變能理論進(jìn)行屈服強(qiáng)度校核，米賽斯屈服應(yīng)力(Von Mises Stress)計(jì)算公式如下：

式中：1σ、2σ、3σ為3個主應(yīng)力。

利用 FEMAP軟件對建立的上層建筑有限元模型進(jìn)行計(jì)算，初步計(jì)算后發(fā)現(xiàn)吊耳下方圍壁上門窗開孔處應(yīng)力較大，且有一定的變形，吊裝時需對這些區(qū)域的門窗進(jìn)行封堵處理。

對修改后的上層建筑吊裝模型進(jìn)行再次計(jì)算，結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布、最大應(yīng)力區(qū)域、吊耳處應(yīng)力和上建整體位移如圖3—圖6所示。

SSV上層建筑強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表 3所示。計(jì)算結(jié)果顯示，加強(qiáng)后的上層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，其中最大應(yīng)力為 126.9MPa，出現(xiàn)在橋樓甲板艏部窗戶附近。吊耳最大應(yīng)力為102.4MPa，略大于許用應(yīng)力，分析可知，應(yīng)力較大單元網(wǎng)格小于 50mm×50mm，吊耳結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。吊裝時模型最大垂向位移為25.32mm，整體變形比例小于1/1000，可滿足上層建筑吊裝要求。

圖3 上層建筑整體應(yīng)力分布Fig.3 Entire Von Mises Stress distribution of superstructure

圖4 上層建筑最大應(yīng)力分布區(qū)域Fig.4 Max.Von Mises Stress distribution of superstructure

圖5 吊耳處應(yīng)力分布Fig.5 Von Mises Stress distribution of pad eyes

圖6 上層建筑垂向位移Fig.6 Vertical displacement of superstructure

表3 SSV上層建筑吊裝的最大應(yīng)力和位移Tab.3 Max.Von Mises Stress and displacement of superstructure

2.4 上層建筑屈曲強(qiáng)度校核

SSV上層建筑結(jié)構(gòu)的甲板和圍壁板厚較小，吊裝時易出現(xiàn)失穩(wěn)情況導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部變形，結(jié)構(gòu)屈曲校核十分必要。其極限屈曲狀態(tài)應(yīng)滿足如下強(qiáng)度準(zhǔn)則：

式中：σxmax為沿板格長邊最大壓應(yīng)力；σymax為沿板格短邊最大壓應(yīng)力；τ為最大板邊剪應(yīng)力；σUx為沿著板格長邊平行方向的極限屈曲應(yīng)力；σUy為沿著板格短邊平行方向的極限屈曲應(yīng)力；Uτ為極限屈曲剪應(yīng)力；η為屈曲失效的應(yīng)力倍增因子。

計(jì)算中選取甲板及圍壁板進(jìn)行屈曲校核，提取板格的最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力，填入根據(jù)規(guī)范編寫的相關(guān)表格中計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，所選板格的屈曲利用率均小于 1，上層建筑吊裝屈曲強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，屈曲校核過程如圖7所示。

圖7 板格屈曲校核Fig.7 Plate buckling check

3 結(jié) 論

本文通過對 SSV上層建筑建立有限元模型，施加重力荷載并考慮吊裝時的荷載修正系數(shù)，得到吊裝時的應(yīng)力和變形，進(jìn)行屈服和屈曲強(qiáng)度校核，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對某些應(yīng)力較高區(qū)域進(jìn)行臨時加強(qiáng)，以保證上層建筑吊裝作業(yè)的順利進(jìn)行。該計(jì)算方法可以有效對吊裝方案的合理性進(jìn)行評估，對生產(chǎn)建造具有重要指導(dǎo)意義。目前已經(jīng)完成 4條 SSV系列船的全部上層建筑吊裝作業(yè)，進(jìn)一步證明經(jīng)過計(jì)算校核的吊裝方案的安全性。