邵 亮,李路遙
(鎮(zhèn)江市交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法支隊(duì),江蘇 鎮(zhèn)江 212000)
船舶結(jié)構(gòu)在改裝時需要開設(shè)較大的工藝孔以便施工需要,其結(jié)果會導(dǎo)致船體變形和強(qiáng)度降低。在船塢中船舶進(jìn)行改裝施工可有效減少改裝引起的變形和強(qiáng)度問題,但出于對經(jīng)濟(jì)和時間成本的考慮,船東和船廠并不希望改裝船舶長期占塢施工。
在船舶漂浮狀態(tài)下進(jìn)行改裝作業(yè)可有效節(jié)省進(jìn)塢成本,但船舶空載時一般處于中拱狀態(tài);對船舶改裝會產(chǎn)生不利影響。在甲板上開設(shè)大的工藝孔會大幅降低船體的總縱強(qiáng)度,受力嚴(yán)重時會導(dǎo)致船體的結(jié)構(gòu)破壞。如果變形量較大更會影響改裝過程中的結(jié)構(gòu)安裝精度,產(chǎn)生不同程度大小的內(nèi)應(yīng)力。因此,在改裝過程中的內(nèi)應(yīng)力應(yīng)予以充分的考慮[1],以免影響船舶的整體強(qiáng)度,給將來的運(yùn)營留下安全隱患。
近年來,國內(nèi)外學(xué)者對船體大開孔情況的有限元分析計(jì)算確有研究,但船舶在浮態(tài)下進(jìn)行改裝開孔的研究甚少。本文以某改裝油船為研究對象,對其進(jìn)行有限元建模,在船舶浮態(tài)下對船體大開孔情況進(jìn)行了分析,通過對船舶固定位置進(jìn)行壓載計(jì)算得出了有效的控制變形方法。
某10.5萬載重噸改裝油船主要參數(shù)為:總長243.5 m,型寬42 m,型深21.3 m,設(shè)計(jì)吃水13.6 m,貨艙區(qū)域長度173 m,現(xiàn)空船狀態(tài)下全船重量約為18 960 t,船體甲板區(qū)域材質(zhì)為屈服強(qiáng)度315 MPa的高強(qiáng)鋼;該船在漂浮狀態(tài)下實(shí)測艏吃水0.3 m,艉吃水5.5 m,貨艙區(qū)域中縱剖面中拱變形82 mm。
根據(jù)現(xiàn)場改裝施工需要,該船貨艙區(qū)域甲板左右舷均需開設(shè)20 m×11 m的工藝孔,見圖1。圖中,P為左舷,S為右舷。開孔作業(yè)時可能出現(xiàn)的最危險工況為全部工藝孔開設(shè)完成,且沒有加強(qiáng)。施工要求如下:
圖1 甲板工藝孔
(1)強(qiáng)度安全系數(shù)不小于2.0,即應(yīng)力不超過157.5 MPa。
(2)船體貨艙區(qū)域中拱變形不超過貨艙區(qū)域總長度的5‰,即為86.5 mm。
由于開設(shè)的工藝孔較大,原船強(qiáng)度受到較大破壞,僅依靠施工經(jīng)驗(yàn)和簡單計(jì)算不能確保施工安全,因此需要借助有限元軟件對施工過程進(jìn)行計(jì)算并評估分析,以制定安全可行的施工方案。
使用船舶專用有限元軟件SESAM/GeniE建立該船有限元模型,根據(jù)實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行加載。模型邊界條件設(shè)定參考《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》[2]第2篇3.3.4的規(guī)定。模型邊界約束示意圖見圖2。船底平板龍骨在船尾節(jié)點(diǎn)1處沿橫向的線位移約束,即δy=0;船首節(jié)點(diǎn)2處,沿縱向、橫向和垂向的線位移約束,即δx=δy=δz=0。艉封板水平桁材距中縱剖面距離相等的左(節(jié)點(diǎn)3)、右(節(jié)點(diǎn)4)各1節(jié)點(diǎn)處,沿垂向的線位移約束,即δz=0。模型重量重心按照實(shí)船進(jìn)行調(diào)整。外部水壓按照艏艉吃水進(jìn)行面載荷加載,見圖3。
1~4—節(jié)點(diǎn)。圖2 模型邊界約束示意圖
圖3 船體吃水加載
計(jì)算結(jié)果顯示,中縱剖面中拱變形為85.9 mm(見表1、圖4,與實(shí)際變形值相差約5%)。中拱狀態(tài)下船體中部吃水因變形影響比模型加載吃水小,有限元計(jì)算的變形計(jì)算結(jié)果會比實(shí)際大,此計(jì)算結(jié)果與實(shí)際狀態(tài)基本相符。以此有限元模型為基礎(chǔ),進(jìn)行開設(shè)工藝孔的施工校核。
表1 初始浮態(tài)下貨艙區(qū)域變形
去除工藝孔的重量為683 t,占整船重量的3.6%,吃水變化很小,模型中忽略不計(jì),吃水按初始狀態(tài)加載。計(jì)算結(jié)果顯示:開孔后角隅處最大應(yīng)力為156.1 MPa(見圖5),不超過允許值;最大變形為99.5 mm(見表2、圖6),超過允許值。
13 971、32 408、34 550、36 554、38 652、40 723、44 095、101 641—節(jié)點(diǎn)。圖4 初始浮態(tài)下船舶垂向位移
表2 無壓載開設(shè)工藝孔后的變形
13 971、31 335、33 290、35 107、37 018、39 050、
要防止貨艙區(qū)域變形過大,需對開孔作業(yè)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。為降低變形量,在現(xiàn)有條件下有以下2種途徑可選擇:
(1)對開孔區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。
(2)貨艙區(qū)域加壓載水以減小中拱變形量。
在開孔處進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)成本較高,并且要大幅降低變形,加強(qiáng)結(jié)構(gòu)會較多。加壓載水可顯著降低成本,具有明顯優(yōu)勢。
選擇變形最大的區(qū)域(貨艙2號艙、3號艙)進(jìn)行壓載,此區(qū)域雙層底壓載艙可裝載壓載水約3 500 t。依據(jù)船上裝載儀數(shù)據(jù)顯示,打入壓載水后船舶艉吃水約6.2 m,艏吃水約0.5 m。
按照上述吃水和壓載進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果顯示中拱變形降為77.1 mm(見表3、圖7、圖8),開孔角隅處最大應(yīng)力為144.7 MPa。變形及強(qiáng)度均可滿足現(xiàn)場要求,在壓載艙裝載壓載水減小變形的方案可行。
表3 船體壓載后開設(shè)工藝孔貨艙區(qū)域的變形
13 971、31 335、33 290、35 107、37 018、39 050、
圖8 船體壓載后開孔的應(yīng)力結(jié)果
實(shí)際作業(yè)中,利用分布在貨艙區(qū)域甲板上的激光經(jīng)緯儀,實(shí)時監(jiān)測貨艙區(qū)域中拱變形量。經(jīng)現(xiàn)場作業(yè)測量,開孔后貨艙區(qū)域?qū)嶋H變形量為73 mm,改裝作業(yè)順利進(jìn)行。
(1)利用有限元計(jì)算對開設(shè)大工藝孔進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)合現(xiàn)場條件,制定安全、經(jīng)濟(jì)、有效的方案,確保了改裝施工的順利進(jìn)行。
(2)有限元計(jì)算在船舶設(shè)計(jì)階段使用較為普遍。船舶改裝施工中可能出現(xiàn)的情況復(fù)雜多變,利用有限元計(jì)算解決施工中可能出現(xiàn)的問題同樣切實(shí)有效,方法可行。
(3)本文以某改裝油船構(gòu)建模型,通過對船體大開孔部分的有限元分析結(jié)合船舶壓載狀態(tài)得到了較為實(shí)用的控制方法。