机舱总段整体吊装分析

徐烁硕，邓 昂，何文心

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

0 引 言

在现代化造船模式下，船体总段吊装前的预舾装率相比以往显著提升，这对提高生产效率、缩短建造周期和降低制造成本有重要意义。在数值仿真技术的支持下，韩国建造的巨型化总段的质量已达到5 000 t［1］。但是，总段的完整性对整体吊装的要求很高，不仅要考虑总段的质量、吊车的起吊能力、吊耳形式、吊点位置和吊索，而且要考虑结构的强度和变形问题，最重要的是要保证吊装的安全性。

严峰［2］通过对耙吸挖泥船机舱至艉部的巨型总段整体吊装时的结构响应进行有限元分析，确保吊装工作的安全性。刘锐等［3］通过对20 800 载重吨散货船机舱总段的起吊上升、位移运输和下降等3 个阶段进行动态数值仿真分析，对总段吊装方案进行了优化设计。刘晓等［4］设计了船舶分段吊装工艺虚拟仿真试验，并通过执行静力学仿真、运动学仿真和结构强度仿真校验，对工艺设计方案进行了改进完善。张国辉等［5］针对全敞式牲畜运输船围栏总段，通过有限元仿真设计了吊装方案，并对其可行性进行了验证。黄进军等［6］通过对机舱总段吊装过程进行有限元计算，验证了吊装方案的可行性。

本文以某型船的机舱总段EZ03C为例，根据总段质量、现场吊车情况和吊索具制订吊装方案，对垂直起吊状态下的机舱总段进行有限元分析，根据计算结果制订加强措施，并通过仿真验证措施的可行性。

1 吊装方案的确定

EZ03C总段由5 个分段总组而成，其长度为13.50 m，宽度为16.00 m，高度为8.75 m，总段的质量和重心见表1。根据现场船台起吊设备的实际情况，在确保安全的前提下，采用2 台起重能力为120 t的门座式起重机与2 台起重能力为80 t的门座式起重机联合吊运的起吊模式。考虑到总段的质量和重心理论计算结果与实际之间的差异，还有其他一些不确定性因素和安全要求，采取由1 人指挥、4 人操作起重机联吊的模式，安全吊重按4 台起重机额定吊重的80%计算，安全吊重为320 t，扣除吊排、钢索和卸扣等吊索具附件的质量（共计15.3 t），总段的理论最大起吊重量为304.7 t，且要满足每台吊车的载荷都在其安全吊重之内。

表1 EZ03C总段的质量和重心

根据总段的外形尺寸、质量、重心位置和4 台门座式起重机船台的布置情况进行吊环布置，其中，艏部吊环由2 台80 t 门座式起重机通过160 t吊排起吊，艉部吊环由2 台120 t 门座式起重机起吊。吊环应尽量设置在分段强结构处，在设置其位置时要考虑受力方向，尽量保证吊环的受力方向在吊环面内，尽量不要在易导致吊环发生弯曲的方向安装吊环，若不能保证吊环的受力方向在吊环面内，要保证A 型的横向受力角度在18°以内。该总段分别于#153、#156、#166 和#168 等4 个肋位布置吊环，具体布置情况见图1。

图1 EZ03C总段吊环布置及受力示意图

EZ03C总段吊装过程中的计算工况为垂直起吊工况，如图1 所示，#153 和#156 肋位处2 根吊带左右舷端部分别汇于160 t吊排两端，吊排中心处受到塔吊的拉力合力T2；T21和T22为吊排对左右舷端部吊带的拉力，根据对称性，T21=T22=T2/2。#166 ～#168 肋位处左右舷端部分别汇于1 个吊点，吊点所受塔吊拉力T11和T12在中纵剖面内的投影之和为T1，令二者与重心的距离分别为d1和d2，根据船体结构型值和总段重心位置计算得到d1=2 508 mm，d2=3 742 mm。图2 为EZ03C总段中纵剖面投影受力图。根据垂向受力平衡和对重心力矩平衡条件

图2 EZ03C总段中纵剖面投影受力图

求得各吊车和吊环受力情况见表2。

表2 EZ03C总段各吊车和吊环受力情况 单位：t

许用应力校核标准为

式（2）中：σs为钢材屈服强度，EZ03C 总段船体采用L907A，σs=390 MPa；n 为安全系数，合成应力取1.5；β为钢材屈服比系数，取1.0。

船体结构许用合成应力σ=260 MPa。

2 有限元强度分析

本文采用MSC Patran软件建立整个机舱总段模型；模型采用3 节点与4 节点shell 单元；扶强材采用偏心量beam单元，网格尺寸取250 ×250；在吊环位置进行局部细化，网格尺寸为50 ×50。材料参数：弹性模量E=2.06105MPa；密度为7.85 ×10-9t/mm3；泊松比为0.3。有限元模型见图3；吊环区域网格细化情况见图4。有限元模型重心位置X=#161 +426，Y=0.009 m，Z=3.778 m，质量为116.32 t。有限元模型与实际模型的偏差在合理范围内，因此该模型是可用的。在未采取任何加强措施的情况下对机舱总段进行整体吊装有限元计算，计算结果应力云图和变形云图见图5。最大应力为143 MPa，在#153 吊环甲板上。由于甲板上有大开口，且艉端甲板下强结构较少，最大变形出现在甲板上大开口端自由边处，达到29.5 mm，变形值太大，结构易发生失效，因此需对结构采取加强措施，以保证吊装过程的安全性。

图3 有限元模型

图4 吊环区域网格细化情况

图5 未采取加强措施情况下计算得到的应力云图和变形云图

根据总段的结构特点，1 甲板上有大开口，艉端1 甲板下强结构少于2 甲板，缺少有效支撑，#153 与#166吊环下只有强横梁，不能对吊环承受的拉力进行有效传递。结合未采取加强措施的1 甲板和吊环下结构的应力和变形情况，采取以下加强方案：在甲板艉端采用槽钢对结构自由边进行加强，在艉端1 甲板与二甲板之间增加5 根槽钢进行加强，增加1 甲板的支撑性，在#153 和#166 吊环下加设槽钢进行支撑，具体加强方式见图6 中的矩形框。

图6 加强方式

采取加强措施之后，重新对机舱总段进行整体吊装有限元计算，最大应力值为74.2 MPa，出现在#153 吊环下纵壁上靠近吊环端的位置，应力较大区域主要出现在16 个吊环所在甲板和甲板下结构处，但应力值都小于许用应力260 MPa，因此结构是安全的。最大变形值为7.9 mm，出现在1 甲板中部大开口自由边处。从变形云图中可看出，1 甲板上布有吊环的4 块区域和甲板下结构变形值相对较大，平均达到5 ～8 mm，但相比采取加强措施之前的结构，变形情况有显著改善，都在结构安全范围内，因此该加强方案是可行的。采取加强措施之后计算得到的应力和变形云图见图7。采取加强措施之后部分位置的应力和变形见表3。图8 为采取加强措施之后部分位置的应力和变形云图。#153 和#166 吊环下端缺少支撑，通过在强横梁与2 甲板之间增加槽钢，使起吊状态下1 甲板承受的拉力能有效地通过槽钢传递，变形值显著减小。

图7 采取加强措施之后计算得到的应力云图和变形云图

表3 采取加强措施之后部分位置的应力和变形

图8 采取加强措施之后部分位置的应力和变形云图

3 安全保障措施

总段吊装加强方案确定之后，若要保证总段整体吊装的安全性，还需在总段吊装之前进行技术检查：吊环的制作和安装需经检验合格；总段的装配和焊接需经验收合格；总段内多余的影响重量的设备应清除，包括分段吊环、分段临时加强、舱内积水和工装件等。吊装作业开始之前，应编制总段吊装指挥网络图，吊装工作应有严密的组织机构，做到统一指挥、分步实施、职责分明、责任到人。使用吊装设备之前需对其进行严格检查，在确认无损坏的情况下方可投入使用。吊装过程中应密切注意起吊负荷状态。为保证吊装的安全性，当环境风速超过5 级时，应停止进行吊装作业。在采取加强方案并严格执行吊装安全保障措施的情况下，现场实船吊装成功，船体实际发生的变形在合理控制范围以内。

4 结 语

提高总段预舾装率对缩短建造周期、降低制造成本有积极意义，但随着总段质量的增加，总段吊装安全性的要求提高，总段吊装方案的确定需考虑总段质量、现场环境、吊车情况、吊索具和吊环等诸多因素。由于EZ03C总段的结构特点，甲板上有大开口且艉端吊环下端强结构较少，在未采取加强措施的情况下，艉端大开口自由端变形明显，存在结构失效风险，根据变形明显区域位置制订加强方案，在对1 甲板艉端大开口处及#153 和#166 吊环下增设槽钢加强之后，总段吊环过程中变形显著减小，最大应力为74.2 MPa，小于许用应力，加强方案是可行的。通过综合多方面因素编制的吊装方案、有数值模拟仿真结果支撑的加强方案、吊装前详细的技术检查和吊装过程中安全保证措施，确保机舱总段整体吊装过程的安全性和吊装成功。