基于有限元方法的大型邮轮薄板总段吊装方案设计

陈小雨，钟浩东，张海甬

(上海外高桥造船有限公司,上海 200137)

大型邮轮薄板总段数量较多，尺寸较大，涉及多层甲板。总段吊装会造成薄板结构塑性变形。船舶大型化及预舾装程度的提高使上层建筑整体尺寸、重量越来越大，刚性则小，因此上层建筑的整体吊装变得更加困难。薄板结构刚性较弱，在转运吊装阶段，由于板材受力不均匀，极易发生变形，因此对邮轮薄板结构除了满足规范的强度要求外，更应重点关注其变形。为确保薄板总段吊装方案设计的合理性，避免吊装过程中的出现结构安全问题，考虑在薄板总段吊装方案设计阶段，利用有限元方法，对薄板总段吊装过程中的结构响应进行预报，评估吊装方案的作业安全性、经济性、工艺性等，提出合理的吊装临时加强措施，确定最终吊装方案。

1 总段吊装方案

1.1 大型邮轮A总段情况

大型邮轮A总段由10个分段组成，共计3层甲板。船长方向长度为29 m，宽度为37.2 m，高度为8.6 m，由上、中、下3层甲板组成。几何模型见图1。

图1 大型邮轮A总段几何模型

1.2 吊装方案

根据船厂吊装能力，为邮轮总段吊装提供的两种吊装方案，方案信息见表1，方案吊码布置见见图2。

表1 吊装方案信息汇总表

图2 吊装方案示意

为确保吊装过程中的结构安全，吊码安装区域需要采取适当的加强措施。两种吊装方案的加强具体布置方案见图3。

图3 加强方案示意

2 有限元模型建立

2.1 有限元模型概述

模型全局采用笛卡尔右手坐标系，总段本体模型均采用3节点和4节点壳单元进行网格划分，根据CCS《船体结构强度直接计算指南》，有限元网格尺寸沿船长方向每肋位4个，船宽方向每纵骨间距4个，网格尺寸约为200 mm×200 mm，共得到230 580个单元。加强方案中的槽钢均用beam单元进行划分，A总段有限元模型见图4。

图4 A总段有限元模型

根据以往吊装经验，吊码区域极易出现应力集中的情况，为使结果更加接近实际情况，对安装吊码的区域使用细网格进行划分，细网格尺寸为30 mm×30 mm，局部网格见图5a)，吊码处细化网格见图5b)。

图5 A总段局部网格示意

2.2 载荷与边界条件

通常，上层建筑吊装的有限元计算，进行结构在自重作用下的响应分析。薄板总段吊装时主要载荷来自自身重力，吊装仿真计算通常采用吊绳具体建模方式进行，本文采用惯性释放法对总段吊装进行有限元计算。所以本文仅对模型施加与结构自重相等，方向相反的力，载荷施加方式见图6。

图6 载荷施加示意

根据重心位置计算得出各吊点的吊重，再根据吊重确定各吊码处应施加的载荷。

3 计算结果及方案优化

3.1 计算衡准

3.1.1 强度安全评定准则

根据ABS MOPV规范规定，在吊装过程中结构产生的最大应力应不超过材料屈服应力的70%，由此判断结构强度满足安全吊装要求。薄板结构所使用的最低等级A级钢材的屈服强度为235 MPa，其衡准最大应力应≤164.5 MPa。

3.1.2 变形安全评定准则

根据各大船厂的生产经验，船体吊装安全性应从整体和局部两方面进行评判，依据生产实际经验并结合相关文献资料认为，最大变形量可以作为评判船体整体刚度的安全性的主要指标，当最大变形量≤800(为结构的最大尺寸)时，则认为刚度可以满足吊装需求；而船体局部刚度安全性则通过变形率来判定。变形率，即吊装结构最大变形值与变形所在结构总尺寸的比值，根据各大船厂的实际生产经验，将变形率的安全值规定为2/1 000，即结构在1 000 mm范围内的最大变形值应≤2 mm。

3.2 吊装方案对比分析及优化

3.2.1 吊装方案对比

对两种吊装方案分别进行有限元计算，得到结构整体的应力、变形见图7。

图7 吊装过程的结构整体应力、变形云图

1)由图7中的应力云图可知：两种方案对结构整体应力分布情况基本一致，吊码安装区域应力水平较大，两者的应力最大值同为154 MPa，均小于吊装作业安全应力164.5 MPa，符合规范要求。

2)由图7中的变形云图可知，两方案总段结构变形趋势基本一致，吊码区域、甲板面尾端及最下层结构门孔处存在较大变形，最大变形值出现在中间甲板尾部甲板外沿，分别为28.4 mm和27.2 mm，均小于规范值46.5 mm；局部变形率分别为0.76/1 000和0.74/1 000(最大变形量/372 000 mm)，均小于规范值2/1 000。

3)综合两种吊装方案的计算结果，总段结构整体的应力、变形水平接近，且两者计算结果均在安全裕度内，结构变形情况及变形趋势两者基本一致；从物料消耗角度考虑，方案二中吊码使用数量较少，相应的槽钢、三角板用量亦均可减少；从生产成本方面考虑，方案二具有作业量少、工艺性好、人工耗时少等优点。

综上所述，在确保吊装安全的前提下，综合考虑吊装作业的工艺性和经济性，认为总段吊装方案二更优。

3.2.2 临时加强方案

1)变形较大处的临时加强措施。如图8a)所示，在吊装过程中薄板总段各层甲板尾端面均产生较大变形，最大变形值27.2 mm出现在中间甲板尾端，局部变形率为0.74/1 000，小于安全值2/1 000。分析认为，此处甲板下方没有立柱结构，处于悬空状态，当整体受到向上提升力作用时，甲板外沿在自身重力作用下向下塌陷，所以此处变形较大。在生产作业中应在此区域内使用槽钢对各层甲板进行加强，以避免出现此类情况。

图8 局部变形云图

如图8b)所示，吊装过程中下层甲板下方某处舱壁出现较大变形，变形量为17.2 mm，局部变形率为1.17/1 000(17.2 mm/14 760 mm)，小于安全值2/1 000。分析可知，该处舱壁在船宽方向上两侧均开有门孔，舱壁无法与其他强结构相连接，吊装时此段舱壁因约束不足出现明显变形。在实际生产中，为防止出现此类情况，应在门孔区域内使用槽钢将该舱壁与附近较强的结构进行连接。

2)甲板横梁开孔处临时加强措施。吊装过程甲板横梁开孔处应力情况，见图9。方案一中的1#、2#吊点区域内吊码直接安装在甲板横梁开孔上方，为防止开孔处应力过大，使用槽钢连接孔的上下沿；方案二中吊码下方无开孔情况，根据加强方案设计方案未设置加强。由图9可知，方案一中减轻孔处的最大应力值为114 MPa，方案二中的最大应力值26 MPa，因此认为方案二临时加强方案可行。

图9 吊装过程甲板横梁开孔处应力情况

3)连续开孔部位临时加强措施。门孔上缘增设加强前后应力对比见图10。

图10 门孔上缘增设加强前后应力对比图

由图10可知，安装加强之前，结构最大应力值为154 MPa，最大应力位置位于下层甲板下方结构的门孔上缘。为解决这种情况，在门孔上缘增设槽钢以加强结构强度，对该设计方案进行验证。安装加强后，门孔上缘的应力由154 MPa降至130 MPa，应力水平明显下降，因此在连续大开孔的位置，可以考虑增设槽钢以消除应力集中。

4 结论

1)综合考虑安全性、工艺性和经济性，确定方案二为最终吊装方案，即在确保吊装安全前提下使用较大吨位吊码和较少数量的吊码。

2)吊码区域出现应力集中且局部变形较大，应在吊码安装区域甲板反面安装三角板和槽钢来消除此问题。

3)吊码安装区域内的甲板横梁开孔会出现较大应力，应增设加强措施；对于非吊码区域的甲板横梁开孔，不必增设加强措施。

4)最底部结构连续门孔上缘出现应力集中，应在门孔上增加槽钢以减缓应力集中；甲板尾端面及下层甲板下方结构门孔区域出现变形量较大，实际生产中应当在此区域内增设槽钢加强。

薄板总段吊装过程是大型邮轮建造的重要环节。在吊装方案设计阶段，对吊装过程进行有限元仿真计算，对保证吊装过程的安全性、提高方案合理性等均具有重要意义。