吳曉東++呂巖

摘 要：以船舶平面分段為研究對(duì)象，采用有限元方法分析分段結(jié)構(gòu)參數(shù)和吊運(yùn)方案對(duì)分段吊運(yùn)過程中結(jié)構(gòu)件應(yīng)力、變形的影響規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)吊運(yùn)過程中分段變形的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和有效控制，避免船舶平面分段在吊運(yùn)過程中發(fā)生破壞。

關(guān)鍵詞：平面分段；分段吊運(yùn)；變形分析；有限元方法

中圖分類號(hào)：U671.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Analysis on Flat Blocks Deformation and Reinforcement

WU Xiaodong，Lu Yan

（Guangzhou Shipyard International Company Limited， Guangzhou 510250）

Abstract：This paper analyzes the influence of structural parameters and lifting method of ship flat blocks on the structural force and deformation of the flat blocks during lifting by using FEM to effectively forecast and control the deformation of the flat blocks.

Key words：Flat Block； Block Lifting； Deformation analysis； Finite element method

1 前言

分段的翻身和吊運(yùn)是船體建造中的一個(gè)重要工序。為保證分段、設(shè)備、人員的安全， 避免分段發(fā)生嚴(yán)重變形和損壞，分段吊運(yùn)前需對(duì)吊運(yùn)工藝進(jìn)行分析計(jì)算。分段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析是預(yù)防吊運(yùn)事故的有效方法，上層建筑整體吊裝、散貨船舷側(cè)總段翻身、吊運(yùn)等過程中產(chǎn)生的應(yīng)力、變形情況都可通過有限元分析方法求得。本文以一種典型分段——平面分段為研究對(duì)象，采用有限元方法對(duì)吊運(yùn)過程進(jìn)行計(jì)算分析，研究分段結(jié)構(gòu)參數(shù)和吊運(yùn)方案對(duì)分段結(jié)構(gòu)件應(yīng)力、變形的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)吊運(yùn)過程中分段變形的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和有效控制。

2 橫艙壁分段吊運(yùn)變形計(jì)算

以6 000 t級(jí)內(nèi)河散貨船的一個(gè)橫艙壁分段為研究對(duì)象，使用三維有限元軟件進(jìn)行建模計(jì)算，研究分段吊運(yùn)過程中的應(yīng)力、變形情況。

2.1 分段簡介

該分段由艙壁板、若干豎直扶強(qiáng)材和一道水平桁組成，如圖1所示。吊運(yùn)過程中扶強(qiáng)材主要承受彎曲載荷，為便于計(jì)算研究，將角鋼按剖面模數(shù)相等折算為T型材。分段具體尺寸參數(shù)見表1。

吊運(yùn)過程中分段的受力特征為：（1）分段由兩條吊繩懸掛于空中，處于靜平衡狀態(tài)；（2）分段吊運(yùn)過程中只受重力與吊繩拉力作用；（3）偏心作用使分段產(chǎn)生變形，其中以分段上端中間部分的變形為 最明顯。

2.2 有限元模型建立

建立該橫艙壁分段的三維有限元模型。

分段上半部份受吊繩作用將產(chǎn)生較大變形，所以分段上部網(wǎng)格較下部細(xì)。艙壁板選用板單元，上半部份單元尺寸為150 mm×150 mm，下半部份為150 mm×300 mm。豎直方向每檔各設(shè)一道T型材，水平方向只在分段中央設(shè)一道T型材。扶強(qiáng)材與水平桁選用梁單元，它們的單元尺寸與板單元協(xié)調(diào)。該分段結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

2.3 邊界條件與載荷施加

（1）右側(cè)吊點(diǎn)節(jié)點(diǎn)局部坐標(biāo)系逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90o-θ（θ為吊角），左側(cè)吊點(diǎn)節(jié)點(diǎn)局部坐標(biāo)系逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ；

（2）右側(cè)吊點(diǎn)節(jié)點(diǎn)約束Y方向位移、Y方向轉(zhuǎn)角、Z方向位移；

（3）左側(cè)吊點(diǎn)節(jié)點(diǎn)約束X方向位移、X方向轉(zhuǎn)角、Z方向位移；

（4）模型整體加重力加速度g=9 810 mm/s2。

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

（1）應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

平面分段吊運(yùn)過程的結(jié)構(gòu)響應(yīng)由重力及吊繩拉力引起，吊點(diǎn)附近應(yīng)力達(dá)到最大值92.7 MPa，遠(yuǎn)離吊點(diǎn)處應(yīng)力較小，計(jì)算得出應(yīng)力云圖如圖3所示。

（2）位移計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得出位移云圖如圖4所示，最大位移為190.4 mm。

變形在垂直于分段平面方向上最明顯。分段上端中間部分變形最大，此處相對(duì)吊點(diǎn)的撓度達(dá)16.5 mm。

3 平面分段吊運(yùn)變形的參數(shù)化分析

3.1 平面分段參數(shù)

（1）板材尺寸：板寬、板高、板厚、豎直扶強(qiáng)材間距；

（2）T型材截面尺寸：腹板高、腹板厚、面板寬、面板厚；

（3）吊運(yùn)參數(shù)：吊點(diǎn)位置、吊角；

（4）加強(qiáng)參數(shù)：加強(qiáng)材截面尺寸、加強(qiáng)位置。

3.2 有限元軟件二次開發(fā)

因計(jì)算工作量較大，通過對(duì)有限元軟件進(jìn)行二次開發(fā)來完成計(jì)算工作。

基于參數(shù)化設(shè)計(jì)語言進(jìn)行二次開發(fā)，使用VB.NET編寫的計(jì)算程序通過有限元軟件腳本控制主程序，并與主程序交換數(shù)據(jù)。程序架構(gòu)如圖5所示。

4 變形規(guī)律及加強(qiáng)分析

分析參數(shù)化計(jì)算得出的大量數(shù)據(jù)，總結(jié)各參數(shù)對(duì)板架變形的影響規(guī)律。

4.1 板參數(shù)影響

（1）板寬、豎直扶強(qiáng)材間距

板寬、豎直扶強(qiáng)材間距的變化將引起骨材數(shù)量、吊點(diǎn)位置的改變。板寬、豎直扶強(qiáng)材間距對(duì)分段變形的影響無明顯規(guī)律。

（2）板厚

變形隨板厚增加而減小，板厚與分段變形間關(guān)系如圖6所示。

（3）板高

板高與分段變形間關(guān)系如圖7所示。變形隨板高增加不斷增加，且板高大于5 000 mm時(shí)變形與板高呈線性關(guān)系。

5 結(jié)論

綜合以上分析，得出以下結(jié)論：

（1）平面分段吊運(yùn)過程的結(jié)構(gòu)響應(yīng)由重力及吊繩拉力引起，應(yīng)力在吊點(diǎn)附近最大，遠(yuǎn)離吊點(diǎn)應(yīng)力較小；變形在垂直于分段平面方向上最明顯，且分段上邊線中心處變形最大，可用該點(diǎn)垂直于分段平面方向上的位移作為評(píng)價(jià)分段吊運(yùn)過程變形大小的指標(biāo)；

（2）當(dāng)板厚增大時(shí)變形減小，板高增大時(shí)變形將增大；板寬、豎直扶強(qiáng)材間距的變化將導(dǎo)致骨型材數(shù)量、吊點(diǎn)位置的改變，板寬、豎直扶強(qiáng)材間距對(duì)分段變形影響沒有明顯規(guī)律；

（3）T型材參數(shù)會(huì)影響分段變形：腹板高度增大時(shí)變形將增大，面板寬度、面板厚度的增大將使變形減??；腹板厚度與變形間的關(guān)系呈一開口向下的拋物線形；

（4）為減小變形，在工藝條件滿足時(shí)吊點(diǎn)應(yīng)適當(dāng)向內(nèi)布置；

（5）水平加強(qiáng)材應(yīng)布置在分段中線以上，且布置在3/4板高以上時(shí)加強(qiáng)效果較好；同時(shí)加強(qiáng)材截面尺寸的增大將使分段變形減小。

平面分段形式多樣、尺寸多變、吊運(yùn)工況復(fù)雜，簡化、處理方法的偏差往往對(duì)結(jié)果造成不良影響。如：吊點(diǎn)邊界條件的選擇將影響分段的應(yīng)力、位移分布；吊角的處理方法可能影響吊點(diǎn)附近應(yīng)力、位移；分段結(jié)構(gòu)尺寸范圍的選擇可能改變結(jié)構(gòu)尺寸與分段位移的變化規(guī)律等。

本文尚存在許多不足之處，需要繼續(xù)不斷深入研究并接受實(shí)踐的檢驗(yàn)。

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