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        機(jī)艙總段整體吊裝分析

        2023-05-17 02:38:44徐爍碩何文心
        船舶與海洋工程 2023年2期
        關(guān)鍵詞:有限元變形措施

        徐爍碩,鄧 昂,何文心

        (滬東中華造船(集團(tuán))有限公司,上海 200129)

        0 引 言

        在現(xiàn)代化造船模式下,船體總段吊裝前的預(yù)舾裝率相比以往顯著提升,這對提高生產(chǎn)效率、縮短建造周期和降低制造成本有重要意義。在數(shù)值仿真技術(shù)的支持下,韓國建造的巨型化總段的質(zhì)量已達(dá)到5 000 t[1]。但是,總段的完整性對整體吊裝的要求很高,不僅要考慮總段的質(zhì)量、吊車的起吊能力、吊耳形式、吊點(diǎn)位置和吊索,而且要考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形問題,最重要的是要保證吊裝的安全性。

        嚴(yán)峰[2]通過對耙吸挖泥船機(jī)艙至艉部的巨型總段整體吊裝時的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行有限元分析,確保吊裝工作的安全性。劉銳等[3]通過對20 800 載重噸散貨船機(jī)艙總段的起吊上升、位移運(yùn)輸和下降等3 個階段進(jìn)行動態(tài)數(shù)值仿真分析,對總段吊裝方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。劉曉等[4]設(shè)計(jì)了船舶分段吊裝工藝虛擬仿真試驗(yàn),并通過執(zhí)行靜力學(xué)仿真、運(yùn)動學(xué)仿真和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真校驗(yàn),對工藝設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)完善。張國輝等[5]針對全敞式牲畜運(yùn)輸船圍欄總段,通過有限元仿真設(shè)計(jì)了吊裝方案,并對其可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。黃進(jìn)軍等[6]通過對機(jī)艙總段吊裝過程進(jìn)行有限元計(jì)算,驗(yàn)證了吊裝方案的可行性。

        本文以某型船的機(jī)艙總段EZ03C為例,根據(jù)總段質(zhì)量、現(xiàn)場吊車情況和吊索具制訂吊裝方案,對垂直起吊狀態(tài)下的機(jī)艙總段進(jìn)行有限元分析,根據(jù)計(jì)算結(jié)果制訂加強(qiáng)措施,并通過仿真驗(yàn)證措施的可行性。

        1 吊裝方案的確定

        EZ03C總段由5 個分段總組而成,其長度為13.50 m,寬度為16.00 m,高度為8.75 m,總段的質(zhì)量和重心見表1。根據(jù)現(xiàn)場船臺起吊設(shè)備的實(shí)際情況,在確保安全的前提下,采用2 臺起重能力為120 t的門座式起重機(jī)與2 臺起重能力為80 t的門座式起重機(jī)聯(lián)合吊運(yùn)的起吊模式??紤]到總段的質(zhì)量和重心理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際之間的差異,還有其他一些不確定性因素和安全要求,采取由1 人指揮、4 人操作起重機(jī)聯(lián)吊的模式,安全吊重按4 臺起重機(jī)額定吊重的80%計(jì)算,安全吊重為320 t,扣除吊排、鋼索和卸扣等吊索具附件的質(zhì)量(共計(jì)15.3 t),總段的理論最大起吊重量為304.7 t,且要滿足每臺吊車的載荷都在其安全吊重之內(nèi)。

        表1 EZ03C總段的質(zhì)量和重心

        根據(jù)總段的外形尺寸、質(zhì)量、重心位置和4 臺門座式起重機(jī)船臺的布置情況進(jìn)行吊環(huán)布置,其中,艏部吊環(huán)由2 臺80 t 門座式起重機(jī)通過160 t吊排起吊,艉部吊環(huán)由2 臺120 t 門座式起重機(jī)起吊。吊環(huán)應(yīng)盡量設(shè)置在分段強(qiáng)結(jié)構(gòu)處,在設(shè)置其位置時要考慮受力方向,盡量保證吊環(huán)的受力方向在吊環(huán)面內(nèi),盡量不要在易導(dǎo)致吊環(huán)發(fā)生彎曲的方向安裝吊環(huán),若不能保證吊環(huán)的受力方向在吊環(huán)面內(nèi),要保證A 型的橫向受力角度在18°以內(nèi)。該總段分別于#153、#156、#166 和#168 等4 個肋位布置吊環(huán),具體布置情況見圖1。

        圖1 EZ03C總段吊環(huán)布置及受力示意圖

        EZ03C總段吊裝過程中的計(jì)算工況為垂直起吊工況,如圖1 所示,#153 和#156 肋位處2 根吊帶左右舷端部分別匯于160 t吊排兩端,吊排中心處受到塔吊的拉力合力T2;T21和T22為吊排對左右舷端部吊帶的拉力,根據(jù)對稱性,T21=T22=T2/2。#166 ~#168 肋位處左右舷端部分別匯于1 個吊點(diǎn),吊點(diǎn)所受塔吊拉力T11和T12在中縱剖面內(nèi)的投影之和為T1,令二者與重心的距離分別為d1和d2,根據(jù)船體結(jié)構(gòu)型值和總段重心位置計(jì)算得到d1=2 508 mm,d2=3 742 mm。圖2 為EZ03C總段中縱剖面投影受力圖。根據(jù)垂向受力平衡和對重心力矩平衡條件

        圖2 EZ03C總段中縱剖面投影受力圖

        求得各吊車和吊環(huán)受力情況見表2。

        表2 EZ03C總段各吊車和吊環(huán)受力情況 單位:t

        許用應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)為

        式(2)中:σs為鋼材屈服強(qiáng)度,EZ03C 總段船體采用L907A,σs=390 MPa;n 為安全系數(shù),合成應(yīng)力取1.5;β為鋼材屈服比系數(shù),取1.0。

        船體結(jié)構(gòu)許用合成應(yīng)力σ=260 MPa。

        2 有限元強(qiáng)度分析

        本文采用MSC Patran軟件建立整個機(jī)艙總段模型;模型采用3 節(jié)點(diǎn)與4 節(jié)點(diǎn)shell 單元;扶強(qiáng)材采用偏心量beam單元,網(wǎng)格尺寸取250 ×250;在吊環(huán)位置進(jìn)行局部細(xì)化,網(wǎng)格尺寸為50 ×50。材料參數(shù):彈性模量E=2.06105MPa;密度為7.85 ×10-9t/mm3;泊松比為0.3。有限元模型見圖3;吊環(huán)區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化情況見圖4。有限元模型重心位置X=#161 +426,Y=0.009 m,Z=3.778 m,質(zhì)量為116.32 t。有限元模型與實(shí)際模型的偏差在合理范圍內(nèi),因此該模型是可用的。在未采取任何加強(qiáng)措施的情況下對機(jī)艙總段進(jìn)行整體吊裝有限元計(jì)算,計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云圖和變形云圖見圖5。最大應(yīng)力為143 MPa,在#153 吊環(huán)甲板上。由于甲板上有大開口,且艉端甲板下強(qiáng)結(jié)構(gòu)較少,最大變形出現(xiàn)在甲板上大開口端自由邊處,達(dá)到29.5 mm,變形值太大,結(jié)構(gòu)易發(fā)生失效,因此需對結(jié)構(gòu)采取加強(qiáng)措施,以保證吊裝過程的安全性。

        圖3 有限元模型

        圖4 吊環(huán)區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化情況

        圖5 未采取加強(qiáng)措施情況下計(jì)算得到的應(yīng)力云圖和變形云圖

        根據(jù)總段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),1 甲板上有大開口,艉端1 甲板下強(qiáng)結(jié)構(gòu)少于2 甲板,缺少有效支撐,#153 與#166吊環(huán)下只有強(qiáng)橫梁,不能對吊環(huán)承受的拉力進(jìn)行有效傳遞。結(jié)合未采取加強(qiáng)措施的1 甲板和吊環(huán)下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形情況,采取以下加強(qiáng)方案:在甲板艉端采用槽鋼對結(jié)構(gòu)自由邊進(jìn)行加強(qiáng),在艉端1 甲板與二甲板之間增加5 根槽鋼進(jìn)行加強(qiáng),增加1 甲板的支撐性,在#153 和#166 吊環(huán)下加設(shè)槽鋼進(jìn)行支撐,具體加強(qiáng)方式見圖6 中的矩形框。

        圖6 加強(qiáng)方式

        采取加強(qiáng)措施之后,重新對機(jī)艙總段進(jìn)行整體吊裝有限元計(jì)算,最大應(yīng)力值為74.2 MPa,出現(xiàn)在#153 吊環(huán)下縱壁上靠近吊環(huán)端的位置,應(yīng)力較大區(qū)域主要出現(xiàn)在16 個吊環(huán)所在甲板和甲板下結(jié)構(gòu)處,但應(yīng)力值都小于許用應(yīng)力260 MPa,因此結(jié)構(gòu)是安全的。最大變形值為7.9 mm,出現(xiàn)在1 甲板中部大開口自由邊處。從變形云圖中可看出,1 甲板上布有吊環(huán)的4 塊區(qū)域和甲板下結(jié)構(gòu)變形值相對較大,平均達(dá)到5 ~8 mm,但相比采取加強(qiáng)措施之前的結(jié)構(gòu),變形情況有顯著改善,都在結(jié)構(gòu)安全范圍內(nèi),因此該加強(qiáng)方案是可行的。采取加強(qiáng)措施之后計(jì)算得到的應(yīng)力和變形云圖見圖7。采取加強(qiáng)措施之后部分位置的應(yīng)力和變形見表3。圖8 為采取加強(qiáng)措施之后部分位置的應(yīng)力和變形云圖。#153 和#166 吊環(huán)下端缺少支撐,通過在強(qiáng)橫梁與2 甲板之間增加槽鋼,使起吊狀態(tài)下1 甲板承受的拉力能有效地通過槽鋼傳遞,變形值顯著減小。

        圖7 采取加強(qiáng)措施之后計(jì)算得到的應(yīng)力云圖和變形云圖

        表3 采取加強(qiáng)措施之后部分位置的應(yīng)力和變形

        圖8 采取加強(qiáng)措施之后部分位置的應(yīng)力和變形云圖

        3 安全保障措施

        總段吊裝加強(qiáng)方案確定之后,若要保證總段整體吊裝的安全性,還需在總段吊裝之前進(jìn)行技術(shù)檢查:吊環(huán)的制作和安裝需經(jīng)檢驗(yàn)合格;總段的裝配和焊接需經(jīng)驗(yàn)收合格;總段內(nèi)多余的影響重量的設(shè)備應(yīng)清除,包括分段吊環(huán)、分段臨時加強(qiáng)、艙內(nèi)積水和工裝件等。吊裝作業(yè)開始之前,應(yīng)編制總段吊裝指揮網(wǎng)絡(luò)圖,吊裝工作應(yīng)有嚴(yán)密的組織機(jī)構(gòu),做到統(tǒng)一指揮、分步實(shí)施、職責(zé)分明、責(zé)任到人。使用吊裝設(shè)備之前需對其進(jìn)行嚴(yán)格檢查,在確認(rèn)無損壞的情況下方可投入使用。吊裝過程中應(yīng)密切注意起吊負(fù)荷狀態(tài)。為保證吊裝的安全性,當(dāng)環(huán)境風(fēng)速超過5 級時,應(yīng)停止進(jìn)行吊裝作業(yè)。在采取加強(qiáng)方案并嚴(yán)格執(zhí)行吊裝安全保障措施的情況下,現(xiàn)場實(shí)船吊裝成功,船體實(shí)際發(fā)生的變形在合理控制范圍以內(nèi)。

        4 結(jié) 語

        提高總段預(yù)舾裝率對縮短建造周期、降低制造成本有積極意義,但隨著總段質(zhì)量的增加,總段吊裝安全性的要求提高,總段吊裝方案的確定需考慮總段質(zhì)量、現(xiàn)場環(huán)境、吊車情況、吊索具和吊環(huán)等諸多因素。由于EZ03C總段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),甲板上有大開口且艉端吊環(huán)下端強(qiáng)結(jié)構(gòu)較少,在未采取加強(qiáng)措施的情況下,艉端大開口自由端變形明顯,存在結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn),根據(jù)變形明顯區(qū)域位置制訂加強(qiáng)方案,在對1 甲板艉端大開口處及#153 和#166 吊環(huán)下增設(shè)槽鋼加強(qiáng)之后,總段吊環(huán)過程中變形顯著減小,最大應(yīng)力為74.2 MPa,小于許用應(yīng)力,加強(qiáng)方案是可行的。通過綜合多方面因素編制的吊裝方案、有數(shù)值模擬仿真結(jié)果支撐的加強(qiáng)方案、吊裝前詳細(xì)的技術(shù)檢查和吊裝過程中安全保證措施,確保機(jī)艙總段整體吊裝過程的安全性和吊裝成功。

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