大型分段吊装分析方法探究与比较

2019-09-02姜季江

船舶标准化工程师 2019年6期

姜季江

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

0 引言

随着造船技术的不断进步，以及对造船效率要求的提高，大型分段或者超大型分段越来越多的应用到船舶合拢阶段，以减少吊装次数、缩短建造周期。由于大型分段的尺寸较大，舾装程度较高，吊装时既要考虑结构强度满足要求，同时也要考虑船体变形不会对舾装设备产生破坏。因此，对大型分段进行吊装分析非常必要。

近些年来，越来越多设计研究人员采用有限元数值分析方法对分段吊装进行了模拟。张延昌等[1]利用MSC.Patran&Nastran软件对上层建筑整体吊装强度进行了分析，同时设立吊装前和吊装过程中2种约束工况来比较应力变化，并合成得到吊装引起的变形情况；邵逸峰等[2]利用 MSC.Patran&Nastran对大型液化气船液货舱整体吊装进行了分析，并采用杆单元来模拟钢丝绳。郭俊伟等[3]利用Bently STAAD.PRO软件对大型海工模块进行了吊装分析，并采用弹簧单元来解决吊装分析中约束不足问题。

本文将以第六代钻井船的生活楼模块和钻台模块为例，对吊装分析方法作进一步探索，并对不同分析方法的结果进行比较研究。

1 有限元模型

1.1 钻井船生活楼和钻台模块分段

该船生活楼模块分段长29.3 m、宽34.0 m、高22.4 m，总重1 466.66 t；分别在FR232和FR272各布置2组16个吊点，总计32个吊点。该船钻台模块分段长21.5 m、宽25.6 m、高13.9 m，总重1 189.463 t；分别在左舷距中6 555mm和右舷距中6 045 mm处各布置2组16个吊点，总计32个吊点。

1.2 单元选择与网格大小

根据船级社规范[4-5]要求，有限元分析中所采用的单元类型如下：

板单元：甲板、外板、舱壁、大型肘板、吊耳、强框架腹板等板材结构。

梁单元：甲板和外板纵骨、舱壁扶强材。

杆单元：强框架面板、屈曲加强筋、钢丝绳。

此外，对于分段内的舾装设备，可以采用质量单元来模拟。

对于吊装分析，网格大小通常不超过为一个骨材间距尺寸（s）；钻井船生活楼和钻台结构较为复杂，网格大小分别取为s/2和s/4。吊耳处作为应力集中处，是分析的重点区域，因此网格大小应取为板厚（t）为宜；有时为了模拟吊孔，网格大小可以接近30 mm～50 mm，但如果过小，则由于板厚尺寸比太大，得到的结果会失真。此外，在吊装时都会有较大的应力响应的地方，如最下层强梁处的开孔等都需要采用较小的网格尺寸。

图1 生活楼有限元模型

图2 生活楼吊耳模拟

图3 生活楼最下一层强梁开孔模拟

图4 钻台有限元模型

图5 钻台吊耳模拟

1.3 重量重心调整

吊装分析中，重量重心的准确性至关重要。对于大型分段，可以将重量分为3个等级。

1）钢结构及附属品：钢结构占分段的主要部分，其在有限元模型中均已得到较为细致的模拟。但由于油漆、焊缝、小尺寸肘板等并未在模型中体现，因此，有限元模型重量通常比实际钢结构重量要小。另外，很多设备如内装板、电缆等都是沿着钢结构进行布置的，可以将其看作是钢结构的附属品。对于钢结构重量差值和内装板等重量，可以通过加大材料密度来实现。

2）大型设备：大型设备重量较重，通常采用MPC加质量点的方式施加各设备的实际位置处，质量点的重量重心属性与设备保持一致。

3）其他家具家电、小型设备：这一类设备由于布置在甲板上较为分散且重量较轻，可以以均布质量点的方式施加在分段各层甲板。

在调整重量重心过程中，应先将1）和2）中的重量重心调整到位，然后根据剩余重量差值和重心偏差来确定 3）的均布质量大小和布置范围，最终将模型重量重心调整到与理论统计值相一致。

2.4 载荷条件分析

大型分段吊装时载荷可以分为：自重、环境条件下的风载荷以及起重机起升所产生的惯性力附加。

对于自重，在有限元分析中，直接施加−9.81 m/s2的重力加速度；

至于风载荷，由于吊装时都会选择天气良好的情况下进行，风力较小且与总重比差别较大，对吊装分析结果影响不大，可以忽略；

起重机起升所产生的惯性力附加，一般是以一定系数加在重力加速度上，根据相关规范[6]，取1.2。

2.5 边界条件分析

边界条件的设立，直接影响吊装分析的准确性。目前，主流的方法有3种。

1）分为2种约束工况：一是吊装前工况约束分段底部X（纵向）、Y（横向）和Z（垂向）3个方向平动自由度；二是吊装过程中约束其中一个角点处吊点X、Y和Z3个方向平动自由度，其余吊点则只约束Z向平动自由度。

2）将所有载荷经过理论计算得到所有吊耳处的拉力，并直接加载在吊耳处，然后在重心位置处约束X向和Z自由度；

3）将钢丝绳模拟出来，然后在钢丝绳顶部约束X、Y和Z3个方向平动自由度，并为了避免约束不足，需要在模型两侧中心位置处补充平动约束。

将以上3种方法均在生活楼分段和钻台分段进行吊装分析，得到以下结论。

1）第一种约束方法：其每组吊点处的支反力均不一致，而且由于每个吊点约束了垂向自由度，即平台最终变形只有中部凹陷，但整体是平的。这与实际情况不一致。根据吊装布置，每一侧的吊点是通过一系列定滑轮和动滑轮以及钢丝绳连接，在吊装过程中，每一组吊点处的支反力几乎一致。而且，由于重心偏差，在起吊瞬间不调整浮吊吊臂及其主缆的情况下，被吊分段是会有所倾斜和旋转的。

2）第二种约束方法：理论上该方法对于吊耳是比较准确的，但是由于钻台分段重心位置处是空的，根本无法施加类似约束，分析无法进行。而生活楼吊装分析中，会出现约束不足的现象。

3）第三种约束方法：分析可以顺利进行，但是每组吊点处的钢丝绳支反力差别较大。这主要是由于被吊分段自身每一处的刚度不一致，所引起的钢丝绳变形也不同，并最终导致钢丝绳轴向力和支反力也不一样，这与实际情况也是不相符的。

由此可见，上述3种约束方法均有瑕疵，因此需要调整如下：

首先，将钢丝绳按实际长度和角度模拟，并采用常用钢丝绳弹性模量，本文中取140 GPa；然后在钢丝绳顶部约束X、Y和Z3个方向平动自由度，并为了避免约束不足，需要在模型两侧中心位置处补充平动约束。然后开始第一次试算。在第一次试算结束以后，对所有钢丝绳支反力进行汇总，并与理论值进行对比。根据计算值与理论值的比值，来调整每一根钢丝绳的弹性模量，同时稍微调整两侧平动约束点，以保证平动约束点处的支反力不能过大，调整好后进行第二次计算。如此重复数次以后，可以将每组钢丝绳的支反力调整到较为一致的结果。经分析发现，支反力与理论值相差 5%以内时，仅吊耳处的应力有所差别，但对被吊分段本身影响不大，此时的模型，可以用作最终的吊装分析。