基于直接计算法的上层建筑整体吊装强度分析

夏雁生

（安徽省淮河船舶检验局，安徽 蚌埠）

引言

随着船厂起重能力的提升，越来越多的上建开始趋向于总段吊装，该种造船模式大大缩短了船舶建造周期。随着分段起吊重量的加大，吊装安全性问题也愈发凸出，整段吊装的强度问题引起了大量学者的研究。蒋明华[1]等以某39500DWT 散货船上层建筑为基础，分析了其整体吊装时结构强度问题，通过有限元计算评估了整体吊装时结构屈服和变形情况，为整体吊装强度分析提供了基础；张磊、周红[2]等基于MSC.Nastran 软件对某5300TEU 集装箱船上层建筑进行了总段吊装强度分析，分析了整体结构在吊装前后的响应问题，为上建的总体吊装提供了安全保证；王彧、张勃[3]等以某FPSO 典型模块为例，基于直接计算法研究了超大型分段在整体吊装过程中的结构强度问题。王彧在研究中指出，在面临吊装结构强度不满足的情况下可以通过改变吊装方式，临时去掉个别结构，改变力的传递方式也能达到不错的效果；吴俊生[4]等详细研究了导管架吊装中不同的设计标准，包括API 规范、LOC 规范以及ND 规范等，为导管架的吊装提供了大量参考；周庆、向小斌、龚伟兵等[5-6]基于SESAM/Genie 软件对FPSO 上层建筑整体吊装结构强度进行了评估，通过分析发现应力最大位置一般出现在吊耳支撑结构附近，为整体吊装作业的顺利进行提供了保障。

本文以某大型风电安装船的上建为基础，采用MSC.Patran/Nastran 有限元分析软件，基于DNV 规范，评估了上建在整体吊装过程中的结构强度问题。考虑了分段吊装过程中的实际模型重量重心不确定因素、多钩吊装的倾斜不确定因素以及动态放大系数等，评估了上建整段在吊装过程中的屈服和变形问题，为整体吊装强度评估提供了参考。

1 结构模型

本文直接计算法基于MSC.Patran/Nastran 软件进行。有限元模型有节点8 005 个，单元14 353 个。图中数字代表了吊点的序号。模型材料：弹性模量E=2.06E11MPa，泊松比0.3，密度7.85 t/m3，模型如图1、图2 所示。

图1 整体上建有限元模型

图2 上建板厚分布云图

该上建整体模块吊耳连接结构为高强度钢AH36，材料许用应力为355 MPa，其余结构均为普通钢材料许用应力为235 MPa。整个模块的结构重量如表1 所示。

表1 上建总段结构重量分布

为了真实模拟吊装过程，本文采用调整密度的方式将有限元模型的结构重量进行调整，调整后有限元模型的重量重心如表2 所示。

表2 上建总段有限元结构重量对比

由2 表可以看出，有限元模型与实际结构的重量重心差距均在0.2%以内，有限元模型重量重心与实际模型一致，为吊装强度评估的正确性奠定了基础。

2 边界条件及载荷工况

根据DNV 吊装规范《DNVGL-ST-N001》进行吊装的工况组合。为消除吊装过程中的不确定性，根据《DNVGL-ST-N001》规范中5.6.2.2 及5.6.2.3 选取了重心不确定系数和重量不确定系数，钢丝绳吊装的倾斜不确定系数，多钩起吊的升降机倾斜系数。根据规范16.2.5.6 中表16-1 进行动力放大系数的选取。详细的系数选取结果如表3 所示。

表3 吊装工况组合系数

本评估使用LRFD 方法进行强度校核，根据《DNVGL-ST-N001》规范中5.9.8.2 中表5-8 所示，强度校核的载荷系数为1.3，变形校核的系数为1.0。综上强度校核组合系数为2.171，变形校核组合系数为1.67。

本文模型中边界条件为绳索顶端采用全约束形式，即约束X、Y、Z 三个方向位移。为了避免计算过程中出现模型约束条件不足的情况，在模型底端分别约束X 方向和Y 方向。X 方向约束点位于重心Y 向坐标所在平面，Y 方向约束点位于重心X 向坐标所在平面。

3 许用衡准

3.1 强度衡准

对于吊耳，吊耳支撑等构件在进行强度分析时应考虑后果系数和材料系数（1.15），详细的后果系数如表4 所示。

表4 不同结构位置后果系数

吊点的安全系数：

支撑吊点的主要构件安全系数：

其他结构的安全系数：

许用应力汇总如表5 所示。

表5 许用应力汇总

3.2 变形衡准

吊装挠度标准如下：

对于所有构件，跨度与挠度的比值应不大于1/250；悬臂梁的挠度不得超过1/125。挠度标准应满足《DNV-OS-C101》规范中相关要求，详细参考如表6 所示。

表6 各构件挠度标准

最大挠度定义为：

式中：δmax——相对于构件水平状态下垂的高度；δ0——预拱度；δ1——加载后由于永久载荷引起的挠度变化；δ2——由于可变载荷和永久载荷引起的随时间变化而引起的挠度变化。

挠度定义如图3 所示。

图3 挠度的定义示意

4 结果分析

4.1 屈服强度

根据DNV 规范，采用LRFD 方法对大型风电安装船上建整体吊装强度评估，得到的应力云图如图4～图7 所示，吊装结构应力汇总如表7 所示。

表7 吊装结构应力汇总（单位：MPa）

图4 吊装整体应力分布云图

图5 B 甲板应力分布云图

图7 吊耳应力分布云图

4.2 变形评估

该风电安装船上建总段最大绝对变形为26.3 mm，最大相对变形为7.9 mm。最大相对挠度所在的跨度为4 375 mm，允许的挠度为4375/250=17.5 mm，上建总段吊装的变形强度满足规范要求。

B 甲板变形应力分布云图见图8，A 甲板变形应力分布云图见图9。

图8 B 甲板变形应力分布云图

图9 A 甲板变形应力分布云图

根据屈服强度和变形评估的结果，上层建筑吊装过程中应力和变形均未超过许用值，结构强度满足DNV 相应吊装规范要求。

5 结论

本文采用直接计算法对某大型风电安装船上层建筑整体吊装结构强度进行了分析，基于DNV 规范要求对该上建在整体吊装过程中的屈服强度、变形大小进行了评估。该种吊装强度评估方式能有效评估吊装方案的合理性，为吊装的安全性提供了参考。

通过整体结构强度分析得知，吊装过程中高应力位置一般出现在吊耳和吊耳反面加强结构，在实际过程中可以通过改变吊装方式，或者增加临时吊耳处结构进行加强。在实际施工过程中证明了本文上建整体吊装方式和加强结构的可靠性。