徐 博，蔡詩劍，李 順，殷俊俊

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2.上海市船舶工程重點實驗室，上海 200011）

主推進柴油機（簡稱主機）作為船舶的重要設備，對其進行保養(yǎng)和維修工作是必須要面對的問題。根據(jù)目標船主機全壽期維修保障大綱的要求，主機工作一定時長需進行修理，一般采用原位拆檢，不需要整機出艙，只有當主機重要部件（如曲軸）損壞時，才需返廠換修并進行臺架試驗。但是在緊急情況下，原位拆檢修理周期長，無法滿足需求，整機換裝是首選方案。主機出艙需要結合該船的結構形式、承修廠拆裝工藝的復雜性和主機的相關參數(shù)，制定周密的出艙方案，必然要考慮艙內(nèi)吊裝問題，對吊裝出艙過程中工裝設施和船體結構進行安全性評估。一直以來，國內(nèi)外關于船舶主機出艙設計和評估方面的研究較少。楊京華等[1]開發(fā)設計出一種可組合式主機缸體總成設備吊裝工裝；陳文戰(zhàn)等[2]對燃氣輪機吊裝軌道系統(tǒng)開展了受力分析；邊超斐等[3]從工法和工藝的角度對設備吊裝出艙進行介紹，并對艙內(nèi)吊裝區(qū)域進行了強度分析；孔寧等[4]指出吊裝過程，眼板附近或較大開口結構會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，需要對模型適當簡化處理。二維或三維梁系模型相比有限元板梁模型簡化程度高，也常用于甲板支撐構件評估，如DNV的3D-BEAM 軟件，以矩陣位移法和鐵木辛柯梁理論為基礎，可計算平面梁系及三維空間梁系的響應。高處等[5]在使用3DBEAM 評估車輛甲板門式鋼架結構時，發(fā)現(xiàn)端部剪應力和有限元模型結果存在較大差異，分析指出在評估剪應力時，梁系模型計算結果偏危險。

由于主機通過多根吊索實現(xiàn)橫向、縱向移動，出艙路線復雜，存在多種工況組合的情況，因此選擇適合的規(guī)范進行評估是必要的，但是目前國內(nèi)外缺少相關規(guī)范指導。并且主機移動是通過工人操作手拉葫蘆實現(xiàn)的，吊索在交替使用過程中，容易發(fā)生吊索失效或受力不均的情況，影響了吊裝區(qū)域的結構、設備甚至人員安全，如何考慮安全系數(shù)是吊裝評估的難點。另外，由于本船特殊的內(nèi)部設計，選擇合適的簡化計算方法也是十分重要的，文章以有限元直接計算作為對比，對單跨梁和三跨梁理論的適用性做了論證，為指導主機吊裝作業(yè)提供了理論依據(jù)。

1 主機吊裝出艙工裝設計

1.1 整機出艙方案

本船在前機艙右舷、后機艙左舷各布置2 臺主機，每臺主機質(zhì)量為105 t。移出路線方案需要綜合考慮各方面的因素，使拆裝工程對船的影響最小。圖1 為水平方向主機出艙路線示意圖，在2#、3#、4#主機上方甲板都可直接開口，主機經(jīng)吊索垂直吊至塢艙后，然后橫向移動至小車處；1#主機上方甲板由于無法開口直接吊出，需要先將2#主機吊裝出艙后，在機艙內(nèi)通過橫移工裝至2#主機處，然后再通過吊索吊裝出艙；當3#、4#主機都需出艙時，只在3#主機上方甲板開口，4#主機也需要通過橫移工裝至開口下方，通過吊索吊裝出艙?？紤]到結構的安全性，小車停放在距離開口較遠的塢艙縱艙壁處，這也導致4臺主機在塢艙內(nèi)吊裝橫移時工況較多，需要布置足夠多的吊點。

圖1 水平方向主機出艙路線示意圖

1.2 眼板布置

通過固定在強橫梁上的眼板用吊索將主機從機艙內(nèi)垂直起吊至塢艙，采用2組吊索交替使用的方式沿著船體橫向移動，同一時間僅有1 組吊索（8 根吊索）受力，圖2 為主機起吊示意圖。主機正上方的4 根橫梁上設置吊點，橫向2 個吊點之間的距離通常略大于主機上吊點寬度，并據(jù)此合理布置眼板間距。相鄰眼板之間的橫向距離為0.8 m，2個吊點之間的橫向距離為2.4 m。眼板根據(jù)GB 7029-86《船用眼板》選取。

圖2 主機起吊示意圖

1.3 主機艙內(nèi)橫移工裝設計

主機在機艙內(nèi)向工藝開口進行橫向移動時，需在主機下方設置導軌座、導軌梁、圓鋼和主機托架。導軌座焊接在內(nèi)底板上，與主機基座錯開，其頂部高于主機基座頂部；導軌梁放置在導軌座上，橫向布置；圓鋼放置在導軌梁上，縱向布置；主機架在主機托架上，再放置在圓鋼上，通過圓鋼的滾動實現(xiàn)橫向平移。

1#主機和4#主機經(jīng)2#工藝開口出艙時，涉及到主機在機艙內(nèi)橫移問題。新建導軌基座1、2、3 作為受力點，避免主機基座因承受主機重力而產(chǎn)生變形，導軌梁與主機基座之間的垂直距離為h，根據(jù)實際施工情況確定h大小。以導軌基座為支撐點，沿船體橫向設置4根工字鋼作為軌道，在每條導軌上沿船體縱向放置圓鋼，主機艙內(nèi)橫移示意圖如圖3所示。

圖3 主機艙內(nèi)橫移示意圖

2 主機吊裝甲板主要構件安全性評估

2.1 校核衡準

通過梳理主機吊裝出艙過程中安全評估涉及的相關規(guī)范，考慮到設備吊裝的場景與船舶起重設備工作場景較為接近，所以在《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）中“3.10.7.1強度衡準”的基礎上，從其它規(guī)范中補充撓度衡準，對比后采用較為保守的勞氏軍規(guī)《LR Rules and Regulations for the Classfication of Navel Ships》撓度比要求。

許用彎曲應力[σ]為：

式中，σs為材料屈服強度，本文取235 N/mm2；n1為彎曲應力安全系數(shù)，取1.67。

經(jīng)計算，[σ]=141 N/mm2。許用剪切應力[τ]為：

式中，n2為剪切應力安全系數(shù)，取2.50。

經(jīng)計算，[τ]=94 N/mm2。撓度比[f]為：

式中，ω為梁的撓度；l為橫梁支撐點之間的距離。

2.2 載荷安全系數(shù)分析

在主機出艙時，眼板所在甲板上僅有少量設備，因此忽略甲板上的設備重量和載荷。另外主機吊裝在艙內(nèi)操作，吊升過程非常緩慢平穩(wěn)，而且受力眼板位置與設備吊環(huán)位置基本一致，眼板主要承受垂直向下的載荷，即主機自身的重量?？紤]單臺主機105 t 產(chǎn)生的載荷，單個吊點的平均靜載荷為131.25 kN。

實際操作中可能存在動載荷、受力不均勻及意外情況，實際載荷可表示為靜載荷乘一定的安全系數(shù)。對于目標船吊裝工況，設備自重、船舶傾斜和其他水平力暫不考慮，參考《規(guī)范》，起升載荷可表示為：

式中，F(xiàn)′為起升載荷；P為設備靜載荷；φh為起升系數(shù)，指在起重設備工作時，考慮所有動載效應的系數(shù)，參考龍門式起重機，φh取1.15；φd為作業(yè)系數(shù)，指考慮起重設備作業(yè)頻次與載荷狀態(tài)的余度系數(shù)，參考龍門式起重機，φd取1.05。

同時，也要考慮主機移動過程中，8 根吊索存在某一根吊索失效的極端情況（《規(guī)范》中沒有考慮這種情況）。將主機重心位置和受力眼板端部通過多點約束（MPC）連接，主機重量通過集中力的方式模擬，加載在8個眼板的幾何中心，高度距離下甲板1 m 的位置。模擬端部或者中間位置一根吊索失效的情況，吊索失效水平示意圖見圖4，周圍圓圈表示受力的吊索，中間橢圓表示主機中心。

圖4 吊索失效水平示意圖

定義意外載荷系數(shù)φf：

式中，F(xiàn)max為某根吊索失效情況下，計算得到的眼板最大MPC受力；Fave為8根吊索均勻受力情況下，計算得到的眼板平均MPC受力。

經(jīng)計算，圖4（a）中φf=1.448；圖4（b）中φf=1.616。

綜合以上分析，吊裝評估統(tǒng)一取安全系數(shù)C為：

另外，由于起升載荷包括起重設備安全工作負荷與起重設備運動部件自重之和，需要包含手拉葫蘆和吊索重量，將設備重量計入安全系數(shù)內(nèi)統(tǒng)一考慮，最終C取2。

故該船單個吊點實際加載的力F為：

2.3 基于梁理論計算方法的結構安全性評估

上甲板板架可簡化成甲板縱桁和甲板強橫梁組成的交叉梁系結構。由于目標船甲板縱桁的跨度很長，其對強橫梁的支撐很弱，因此可忽略甲板縱桁的支撐作用，僅考慮強橫梁。

1）模型要求。對于甲板板架結構，重點考慮主要構件的強度，需要將主要構件簡化成梁模型。主要構件的帶板對梁的抗彎能力有重要作用，需要反映在梁模型中。本文校核的橫梁長度為22.184 m，兩側縱艙壁間橫梁長度為17.4 m，橫梁結構剖面為T 型材，甲板橫梁間距為2 m。參考《鋼制海船入級規(guī)范》，以橫梁腹板為基準，沿船首和船尾方向各取1 m作為T型材的帶板。

2）單跨梁理論計算方法?；谠摯厥獾膬?nèi)部設計，塢艙兩側縱艙壁和支柱對強橫梁有較強的約束，將強橫梁簡化為端部位于縱艙壁、邊界條件為固支的單跨梁，在跨內(nèi)承受2 個集中力作用，單跨梁彎曲簡化過程如圖5所示。橫梁的應力和撓度查彎曲要素表可得。

圖5 單跨梁彎曲簡化過程

3）三跨梁理論計算方法。基于強橫梁兩端與強肋骨連接，端部采用剛性固定，縱艙壁加支柱對橫梁起到支撐作用，但是抗彎能力有限，因此將強橫梁簡化為兩端固支且有2個自由支座的三跨梁，在中間跨承受2個集中力作用，三跨梁彎曲簡化過程如圖6所示。

圖6 三跨梁彎曲簡化過程

分析結構，該三跨梁為4 次靜不定結構，因此有4 個未知量，采用“力法”[6]進行求解，去除多余約束將靜不定梁化為靜定結構，根據(jù)變形連續(xù)條件，在去掉約束加上約束反力矩的地方建立變形連續(xù)方程式如下：

式中，E為彈性模量；I為梁截面慣性矩；L為支座1、2 之間的距離；La、Lb為集中力加載位置A、B到支座1 的距離；L′a、L′b為集中力加載位置A、B到支座2的距離，La+L′a=Lb+L′b=L，Lb=La+2.4；L0為支座0、1 和2、3 之間的距離；M0、M1、M2、M3為約束反力矩。

聯(lián)立解方程可求出約束反力矩M0、M1、M2、M3，進而計算得到橫梁的應力、撓度。

2.4 基于有限元計算方法的結構安全性評估

1）模型要求及邊界條件。模型范圍選取的原則為：縱向為吊裝區(qū)域前后至少延伸3 個強框間距；橫向取整個船寬；垂向為吊點處甲板和其下層甲板之間部分，建立有限元模型。

詳細建立板、橫梁、縱桁、縱骨和支柱等結構的幾何模型，對甲板、縱艙壁和T型材腹板以及眼板所在區(qū)域的T型材面板采用四邊形單元，網(wǎng)格大小保證強橫梁面板能劃分4 個網(wǎng)格；其他T 型材面板、縱骨及支柱結構用梁單元代替；眼板進行簡化處理，可用板單元模擬其基本大小，不做開口。網(wǎng)格尺寸為100×100。

模型與下層甲板和船體外板剛性連接，在模型底部和甲板舷側端施加位移約束，模型前后端采用對稱邊界條件（垂直于端面方向的線位移為0，繞端面內(nèi)兩坐標軸的角位移為0）。

2）載荷施加。吊鉤與眼板處的接觸應力很難通過有限元來模擬，實際吊裝過程中主要根據(jù)吊裝載荷來選取對應型號的眼板，以滿足其強度。在有限元中，以集中力的形式將載荷施加在眼板下端，加載在單個眼板上的垂向力大小為262.5 kN。吊裝有限元模型及載荷施加如圖7所示。

3）工況設置。按照出艙路線，對4 臺主機從起吊到移動到指定位置過程中的每一步均設置工況進行受力分析。

4）結果讀取。采用有限元分析軟件MSC Nastran 計算強橫梁的應力和撓度，強橫梁彎曲應力讀取自板單元面內(nèi)正應力，剪切應力讀取自板單元面內(nèi)剪切應力。

2.5 梁理論計算和有限元計算結果對比分析

將主機吊裝出艙可能存在的全部工況（La為0.7～14.3 m，步長0.8 m），梁理論計算和有限元計算結果對比如圖8所示。從圖8可以看出，單跨梁結果與有限元結果相差較大，表現(xiàn)為正應力偏大，撓度偏小，說明將強橫梁簡化為固定在塢艙縱艙壁上的單跨梁是不合理的，由于邊界條件過強，導致計算得到的正應力過大，梁的變形偏小，結果和實際情況不符。

圖8 梁理論計算和有限元計算結果對比

三跨梁和有限元計算的彎曲正應力曲線變化趨勢相同，兩者得到的最大彎曲正應力對應的工況都是La為4.7 m 或10.3 m，而且橫梁最大正應力出現(xiàn)在和支撐縱艙壁連接處，三跨梁模型彎曲正應力水平要比有限元模型高，誤差在13%以內(nèi)。三跨梁模型和有限元模型的最大剪切應力對應的工況都是La為0.7 m 或14.7 m，而且橫梁最大剪應力出現(xiàn)在集中力加載位置和支撐縱艙壁之間，有限元剪應力要比理論模型高，誤差在14%以內(nèi)。三跨梁和有限元計算得到的最大撓度比非常接近，誤差在11%以內(nèi)，當La為7.1 m 或7.9 m 時，三跨梁計算和有限元計算都取得最大撓度。而且從圖8中可以看出，橫梁撓度的安全裕量相對是最小的，換言之，強橫梁的安全性主要取決于撓度是否滿足衡準。

總的來說，主機吊裝安全性評估，基于三跨梁模型得到的結果與有限元結果吻合較好，在誤差允許的范圍內(nèi)，三跨梁模型推導的應力和變形結果是安全可靠便捷的。

三跨梁模型為指導主機吊裝方案的制定、吊裝作業(yè)的開展提供了理論依據(jù)。根據(jù)該方法，通過編寫Excel 表可快速計算大量工況，進一步可找到最大正應力、最大剪應力、最大撓度對應的工況并進行校核。以本船主機吊裝方案為例，La為4.7 m 工況下的最大正應力、La為0.7 m 工況下的最大剪應力、La為7.1 m 工況下的最大撓度是吊裝過程中的代表工況，只要滿足衡準就能保證結構的安全。也可以進一步通過理論計算反推，3 個工況對應的臨界載荷分別為357 kN、668 kN、345 kN，只要保證單根橫梁單個吊點載荷不超過345 kN，也能保證結構的安全。

根據(jù)上述對比分析，三跨梁模型和有限元計算都能進行主機出艙結構安全評估。有限元方法成熟、可靠，但是需要耗費大量的時間建模分析；理論計算是根據(jù)梁理論和以往有限元計算經(jīng)驗，將吊裝的主要受力構件簡化成三跨梁模型，可針對吊裝工況進行快速的計算，且便于模型的修改和重復計算。通過上文對梁理論和有限元計算結果的對比，也驗證了三跨梁理論模型的合理性和可靠性。因此，三跨梁模型可用來評估目標船主機吊裝出艙過程中強橫梁的安全性。但是值得注意的是，如果板架的縱向長度較短，則縱桁的支撐作用不能忽略，這種情況下，上述簡化計算方法不太適用，需要采用梁系計算方法進行計算。

3 結束語

主機尺寸大、質(zhì)量大，出艙路線復雜，為了保證吊裝的安全性，吊裝出艙過程中結構安全性評估是十分必要的。通過梳理相關規(guī)范，為大型設備出艙方案的制定提供依據(jù)，提出了主機吊裝出艙過程中船體結構強度、剛度的直接計算方法（包括梁理論計算方法和有限元計算方法）。并以目標船為研究對象，通過開展主機出艙過程中，船體結構的載荷分析、強度和剛度計算，對吊裝方案的安全性進行了評估，得出以下結論：①針對主機吊裝提出的出艙和工裝方案，為類似設備出艙轉移提供參考；②針對多根吊索起吊的大型設備吊裝作業(yè)，提出了確定意外載荷系數(shù)的方法；③主機吊裝出艙方案安全性滿足要求，單跨梁模型與實際情況不符，三跨梁和有限元計算結果吻合較好，建議編寫Excel 表，可顯著提高計算效率，三跨梁模型計算方法為指導吊裝作業(yè)提供了理論依據(jù)；④由于目標船甲板縱桁的跨度很長，其對強橫梁的支撐很弱，因此可以忽略甲板縱桁的支撐作用，僅考慮強橫梁。如果板架的縱向長度較短，則縱桁的支撐作用不能忽略，這種情況下，單梁理論計算方法不太適用，需要采用梁系計算方法進行計算。