邵 亮，李路遥

(镇江市交通运输综合行政执法支队，江苏 镇江 212000)

0 引言

船舶结构在改装时需要开设较大的工艺孔以便施工需要，其结果会导致船体变形和强度降低。在船坞中船舶进行改装施工可有效减少改装引起的变形和强度问题，但出于对经济和时间成本的考虑，船东和船厂并不希望改装船舶长期占坞施工。

在船舶漂浮状态下进行改装作业可有效节省进坞成本，但船舶空载时一般处于中拱状态；对船舶改装会产生不利影响。在甲板上开设大的工艺孔会大幅降低船体的总纵强度，受力严重时会导致船体的结构破坏。如果变形量较大更会影响改装过程中的结构安装精度，产生不同程度大小的内应力。因此，在改装过程中的内应力应予以充分的考虑[1]，以免影响船舶的整体强度，给将来的运营留下安全隐患。

近年来，国内外学者对船体大开孔情况的有限元分析计算确有研究，但船舶在浮态下进行改装开孔的研究甚少。本文以某改装油船为研究对象，对其进行有限元建模，在船舶浮态下对船体大开孔情况进行了分析，通过对船舶固定位置进行压载计算得出了有效的控制变形方法。

1 工程实例

某10.5万载重吨改装油船主要参数为：总长243.5 m，型宽42 m，型深21.3 m,设计吃水13.6 m，货舱区域长度173 m，现空船状态下全船重量约为18 960 t，船体甲板区域材质为屈服强度315 MPa的高强钢；该船在漂浮状态下实测艏吃水0.3 m，艉吃水5.5 m，货舱区域中纵剖面中拱变形82 mm。

根据现场改装施工需要，该船货舱区域甲板左右舷均需开设20 m×11 m的工艺孔，见图1。图中，P为左舷，S为右舷。开孔作业时可能出现的最危险工况为全部工艺孔开设完成，且没有加强。施工要求如下：

图1 甲板工艺孔

(1)强度安全系数不小于2.0，即应力不超过157.5 MPa。

(2)船体货舱区域中拱变形不超过货舱区域总长度的5‰，即为86.5 mm。

由于开设的工艺孔较大，原船强度受到较大破坏，仅依靠施工经验和简单计算不能确保施工安全，因此需要借助有限元软件对施工过程进行计算并评估分析，以制定安全可行的施工方案。

2 有限元计算

使用船舶专用有限元软件SESAM/GeniE建立该船有限元模型，根据实际状态进行加载。模型边界条件设定参考《国内航行海船建造规范》[2]第2篇3.3.4的规定。模型边界约束示意图见图2。船底平板龙骨在船尾节点1处沿横向的线位移约束，即δy=0；船首节点2处，沿纵向、横向和垂向的线位移约束，即δx=δy=δz=0。艉封板水平桁材距中纵剖面距离相等的左(节点3)、右(节点4)各1节点处，沿垂向的线位移约束，即δz=0。模型重量重心按照实船进行调整。外部水压按照艏艉吃水进行面载荷加载，见图3。

1～4—节点。图2 模型边界约束示意图

图3 船体吃水加载

计算结果显示，中纵剖面中拱变形为85.9 mm(见表1、图4，与实际变形值相差约5%)。中拱状态下船体中部吃水因变形影响比模型加载吃水小，有限元计算的变形计算结果会比实际大，此计算结果与实际状态基本相符。以此有限元模型为基础，进行开设工艺孔的施工校核。

表1 初始浮态下货舱区域变形

去除工艺孔的重量为683 t，占整船重量的3.6%，吃水变化很小，模型中忽略不计，吃水按初始状态加载。计算结果显示：开孔后角隅处最大应力为156.1 MPa(见图5)，不超过允许值；最大变形为99.5 mm(见表2、图6)，超过允许值。

13 971、32 408、34 550、36 554、38 652、40 723、44 095、101 641—节点。图4 初始浮态下船舶垂向位移

表2 无压载开设工艺孔后的变形

13 971、31 335、33 290、35 107、37 018、39 050、

要防止货舱区域变形过大，需对开孔作业进行分析设计。为降低变形量，在现有条件下有以下2种途径可选择：

(1)对开孔区域结构进行加强。

(2)货舱区域加压载水以减小中拱变形量。

在开孔处进行结构加强成本较高，并且要大幅降低变形，加强结构会较多。加压载水可显著降低成本，具有明显优势。

选择变形最大的区域(货舱2号舱、3号舱)进行压载，此区域双层底压载舱可装载压载水约3 500 t。依据船上装载仪数据显示，打入压载水后船舶艉吃水约6.2 m，艏吃水约0.5 m。

按照上述吃水和压载进行计算，结果显示中拱变形降为77.1 mm(见表3、图7、图8)，开孔角隅处最大应力为144.7 MPa。变形及强度均可满足现场要求，在压载舱装载压载水减小变形的方案可行。

表3 船体压载后开设工艺孔货舱区域的变形

13 971、31 335、33 290、35 107、37 018、39 050、

图8 船体压载后开孔的应力结果

实际作业中，利用分布在货舱区域甲板上的激光经纬仪，实时监测货舱区域中拱变形量。经现场作业测量，开孔后货舱区域实际变形量为73 mm，改装作业顺利进行。

3 结论

(1)利用有限元计算对开设大工艺孔进行计算分析，结合现场条件，制定安全、经济、有效的方案，确保了改装施工的顺利进行。

(2)有限元计算在船舶设计阶段使用较为普遍。船舶改装施工中可能出现的情况复杂多变，利用有限元计算解决施工中可能出现的问题同样切实有效，方法可行。

(3)本文以某改装油船构建模型，通过对船体大开孔部分的有限元分析结合船舶压载状态得到了较为实用的控制方法。