李川江，唐文勇，汪家政

(1．上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240, 2.舟山長宏國際船舶修造有限公司，浙江 舟山 316000)

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船用吊環(huán)的加強(qiáng)三角肘板優(yōu)化

李川江1,2，唐文勇1，汪家政2

(1．上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240, 2.舟山長宏國際船舶修造有限公司，浙江 舟山 316000)

為驗(yàn)證船用吊環(huán)加強(qiáng)三角肘板作用機(jī)理，優(yōu)化吊點(diǎn)處結(jié)構(gòu)，采用有限元分析方法使用PATRAN軟件對(duì)常用船用吊環(huán)的加強(qiáng)三角肘板作用機(jī)理情況進(jìn)行分析。通過計(jì)算比較，發(fā)現(xiàn)部分船用吊環(huán)的加強(qiáng)三角肘板的加強(qiáng)作用較有限，因此建議優(yōu)化吊點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)，減少三角加強(qiáng)肘板的使用，以節(jié)約成本。

吊環(huán)；加強(qiáng)；肘板；優(yōu)化；有限元

大型分段、總段吊裝是現(xiàn)代船舶建造過程中最重要的工序之一。船用吊環(huán)是焊接在船體分段、總段上的標(biāo)準(zhǔn)件，其通過索具與起重機(jī)相連，是進(jìn)行分段翻身、平吊、旋轉(zhuǎn)等作業(yè)的強(qiáng)受力構(gòu)件。

在傳統(tǒng)船用吊環(huán)安裝中，加強(qiáng)三角肘板是必備的輔助加強(qiáng)件，樣式見圖1。

這些加強(qiáng)件因力的傳遞不連續(xù)而存在硬點(diǎn)，有可能對(duì)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不利等影響。如加強(qiáng)三角肘板全部設(shè)計(jì)成可保留在船體上的連續(xù)的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，卻又增加船舶結(jié)構(gòu)自重，影響船舶載貨能力，且成本較高。某船廠建造的25萬t礦砂船和32萬tVLCC所使用的三角加強(qiáng)肘板情況見表1。加強(qiáng)三角肘板在船舶建造中使用量較大，拆除作業(yè)時(shí)對(duì)油漆破壞也較大。隨著PSPC規(guī)范的實(shí)施，為減少對(duì)油漆的破壞帶來的影響，節(jié)約成本，對(duì)此處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化變得越來越重要。

圖1　船用吊環(huán)常用加強(qiáng)三角肘板

表1　某船廠25萬t礦砂船和32萬t VLCC三角加強(qiáng)肘板使用情況

因吊環(huán)為強(qiáng)受力構(gòu)件，其安裝處船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度必須得到保證，當(dāng)前對(duì)吊環(huán)的受力研究較多[1-2]，但對(duì)吊環(huán)安裝處船體結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)三角肘板的研究較少。有關(guān)于船體分段吊點(diǎn)下的加強(qiáng)三角肘板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析[3]，但僅針對(duì)單一受力情況，驗(yàn)證其符合強(qiáng)度要求；也有對(duì)吊點(diǎn)區(qū)域的肘板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)的，但并未對(duì)其具體受力情況進(jìn)行分析[4]。

本文將常用船用吊環(huán)的加強(qiáng)三角肘板安裝方式分為常規(guī)組和對(duì)比組，通過PATRAN有限元軟件建模計(jì)算[5]，分析加強(qiáng)三角肘板實(shí)際加強(qiáng)效果。

1　吊環(huán)及肘板有限元計(jì)算

1.1常用吊環(huán)形式及肘板加強(qiáng)方式

船舶分段大型化已成為現(xiàn)代大型船舶建造的新常態(tài)，船廠大型分段重量已達(dá)200～300 t，總段重量已達(dá)到500～900 t，韓國三星、大宇更有達(dá)到2 000 t級(jí)的環(huán)形總段。

相對(duì)于傳統(tǒng)小分段常用20～30 t吊環(huán)，大型分段的吊裝需大量50～60 t吊環(huán)，更有100 t大型吊環(huán)。結(jié)合國內(nèi)外大型船廠的吊環(huán)標(biāo)準(zhǔn)，大型船舶建造需加肘板的常用吊環(huán)形式可概括為：此處分類為A、B、C、D 4型[6-7]，見圖2。其中A、C、D以60 t為分析對(duì)象，B以50 t為分析對(duì)象。

圖2　4類吊環(huán)及加強(qiáng)方式

1.2分析模型結(jié)構(gòu)

模型包含結(jié)構(gòu)、吊環(huán)和加強(qiáng)三角肘板三部分。

結(jié)構(gòu)包含主板面板、肋板、加強(qiáng)筋，分別模擬對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)。其中：B、C型吊環(huán)通常安裝在強(qiáng)結(jié)構(gòu)的縱桁、肋板或加強(qiáng)筋上，此處以最弱的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)模擬，肋距為800 mm，以吊點(diǎn)周圍一檔肋距作為局部船體結(jié)構(gòu)。主板面板規(guī)格為2 000 mm×1 100 mm×18 mm，肋板規(guī)格1 100 mm×550 mm×15 mm，肋板間距為800 mm。加強(qiáng)筋沿主板面板長度方向中間安裝在肋板之間，規(guī)格為800 mm×350 mm×18 mm，模型如圖3所示。

A型、D型因其安裝位置特殊性，結(jié)構(gòu)不含加強(qiáng)筋，僅模擬主板和肋板結(jié)構(gòu)，肋距為800 mm，以吊點(diǎn)周圍一檔肋距取局部船體結(jié)構(gòu)，主板面板規(guī)格為1 600 mm×800 mm×18 mm，肋板規(guī)格為800 mm×800 mm×15 mm，模型見圖4 。吊環(huán)模擬模型見圖5。

圖3　B型、C型吊環(huán)安裝船體結(jié)構(gòu)

圖4　A型、D型吊環(huán)安裝船體結(jié)構(gòu)

加強(qiáng)三角肘板的不同加強(qiáng)方式形成了模型分析的8種方案。A型、D型吊環(huán)按有加強(qiáng)三角肘板加強(qiáng)和無加強(qiáng)三角肘板加強(qiáng)2種方案建模分析，模型見圖6。B、C型吊環(huán)安裝方式為一端肘板與肋板對(duì)齊，吊環(huán)母板沿加強(qiáng)筋方向，另一端肘板反面按無加強(qiáng)三角肘板加強(qiáng)和有加強(qiáng)三角肘板加強(qiáng)2種方案建模分析，模型見圖7。

圖5　各型吊環(huán)模型

圖6　兩型肘板加強(qiáng)4種分析方案

圖7　兩型吊環(huán)肋板處肘板加強(qiáng)4種分析方案

1.3約束條件及受力工況

1.3.1約束條件

根據(jù)吊環(huán)在船體結(jié)構(gòu)上安裝的特點(diǎn)，B型、C型吊環(huán)的船體結(jié)構(gòu)主板及肋板自由邊節(jié)點(diǎn)各方向全部約束，A型、D型吊環(huán)的船體結(jié)構(gòu)除吊環(huán)安裝周圍的自由邊外，其余肋板、主板自由邊節(jié)點(diǎn)各方向全部約束，見圖8。

圖8　常用船用吊環(huán)加強(qiáng)分析模型約束條件

1.3.2受力工況

常用吊環(huán)受力為起重鎖具拉力，因分段平吊、翻身及旋轉(zhuǎn)等均使用吊環(huán)作為受力點(diǎn)，所以吊環(huán)受到鎖具的拉力可能沿吊環(huán)母板長度方向180°范圍內(nèi)任意角度，分析受力工況時(shí)，選擇具有代表的豎直受力和水平受力2種受力工況進(jìn)行分析，以C型吊環(huán)為例，見圖9。

圖9　吊環(huán)受力范圍及典型受力工況(以C型吊環(huán)為例)

吊裝時(shí)，一般由一個(gè)吊鉤連接多個(gè)吊點(diǎn)起吊，連接吊環(huán)的鎖具允許存在一定偏轉(zhuǎn)角度，吊裝時(shí)吊索與水平面允許的最小夾角為60°[8]，此受力方式會(huì)產(chǎn)生側(cè)向力，經(jīng)驗(yàn)上吊環(huán)的加強(qiáng)三角肘板就是為抵抗此側(cè)向受力，因此在進(jìn)行受力分析時(shí)，各工況考慮側(cè)向60°受力狀態(tài)，即除在沿吊環(huán)母板方向受吊環(huán)額定載荷外，還加載相應(yīng)的側(cè)向受力，見圖10。

圖10　吊環(huán)側(cè)向受力狀態(tài)

2　計(jì)算結(jié)果比較

根據(jù)2種受力工況對(duì)8種方案分別進(jìn)行計(jì)算，分析各方案、各工況船體結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)肘板的應(yīng)力應(yīng)變情況，如A型、C型某方案某工況的應(yīng)力、應(yīng)變見圖11。

圖11　部分工況應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

對(duì)各方案、各工況計(jì)算結(jié)果主板面板、肋板、加強(qiáng)筋、加強(qiáng)肘板的最大應(yīng)力及最大變形數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并以傳統(tǒng)的有加強(qiáng)三角肘板方案為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)進(jìn)行比較，結(jié)構(gòu)的Von Mises相當(dāng)應(yīng)力取235/KMPa，其中K為材料系數(shù)，按普通鋼取1，即取許用235 MPa，結(jié)構(gòu)的許用撓度按不大于L/150取值，此處L為肋距800 mm，即最大變形不超過5.33 mm為合格[9-10]。

A型60 t吊環(huán)豎直方向受力工況時(shí)，有、無加強(qiáng)肘板各結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)見表2。

表2　A型60 t吊環(huán)豎直受力工況有、無肘板數(shù)據(jù)表

此工況無肘板方案，結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加較小，但結(jié)構(gòu)面板應(yīng)力值均超過許用應(yīng)力；結(jié)構(gòu)面板變形增加較小，結(jié)構(gòu)肋板變形減小較多，但變形均超過許用撓度。

A型60 t吊環(huán)水平方向受力工況時(shí)，有、無加強(qiáng)肘板各結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)見表3。

表3　A型60 t吊環(huán)水平受力工況有、無肘板數(shù)據(jù)表

此工況無肘板方案，結(jié)構(gòu)面板應(yīng)力減少較小，結(jié)構(gòu)肋板應(yīng)力增加較多，且其應(yīng)力超過許用應(yīng)力值；結(jié)構(gòu)面板變形增加較小，結(jié)構(gòu)肋板變形減小較多，但變形均超過許用撓度。

B型50 t吊環(huán)豎直方向受力工況時(shí)，有、無加強(qiáng)肘板各結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)見表4。

表4　B型50 t吊環(huán)豎直受力工況有、無肘板數(shù)據(jù)表

此工況無肘板方案，結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加較小，應(yīng)力值低于許用應(yīng)力值；結(jié)構(gòu)面板變形增加較小，結(jié)構(gòu)肋板、加強(qiáng)筋變形減小較多，變形量低于許用撓度，肘板加強(qiáng)作用不明顯，無肘板指標(biāo)符合要求，可取消肘板。B型50 t吊環(huán)水平方向受力工況時(shí)，有、無加強(qiáng)肘板各結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)見表5。

表5　B型50 t吊環(huán)水平受力工況有、無肘板數(shù)據(jù)表

此工況無肘板方案，結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加較小，應(yīng)力值低于許用應(yīng)力值；結(jié)構(gòu)面板變形增加較小，結(jié)構(gòu)肋板、加強(qiáng)筋變形減小較多，變形量低于許用撓度，肘板加強(qiáng)作用不明顯，無肘板指標(biāo)符合要求，可取消肘板。C型60 t吊環(huán)豎直方向受力工況時(shí)，各結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)見表6。

此工況無肘板方案，結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加較小，應(yīng)力值低于許用應(yīng)力值；結(jié)構(gòu)面板變形增加較小，結(jié)構(gòu)肋板、加強(qiáng)筋變形減小較多，變形量低于許用撓度，肘板加強(qiáng)作用不明顯，無肘板指標(biāo)符合要求，可取消肘板。C型60 t吊環(huán)水平方向受力工況時(shí)，各結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)見表7。

此工況無肘板方案，結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加較小，應(yīng)力值低于許用應(yīng)力值；結(jié)構(gòu)面板變形增加較小，結(jié)構(gòu)肋板、加強(qiáng)筋變形減小較多，變形量低于許用撓度，肘板加強(qiáng)作用不明顯，無肘板指標(biāo)符合要求，可取消肘板。D型60 t吊環(huán)豎直方向受力工況時(shí)，各結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)見表8。

表6　C型60 t吊環(huán)豎直受力工況有、無肘板數(shù)據(jù)表

表7　C型60 t吊環(huán)水平受力工況有、無肘板數(shù)據(jù)表

表8　D型60 t吊環(huán)豎直受力工況有、無肘板數(shù)據(jù)表

此工況無肘板方案，結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加較大，應(yīng)力值均大許用應(yīng)力值；結(jié)構(gòu)面板變形減少較多，結(jié)構(gòu)肋板變形增加較多，變形量均大于許用撓度。

D型60 t吊環(huán)水平方向受力工況時(shí)，有、無加強(qiáng)肘板各結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)見表9。

表9　D型60 t吊環(huán)水平受力工況有、無肘板數(shù)據(jù)表

此工況無肘板方案，結(jié)構(gòu)面板應(yīng)力增加較大，應(yīng)力值均大許用應(yīng)力值；結(jié)構(gòu)面板變形減少較多，結(jié)構(gòu)肋板變形增加較多，變形量均大于許用撓度。

3　吊點(diǎn)區(qū)域結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)各方案數(shù)據(jù)比較分析，常用船用四型吊環(huán)的加強(qiáng)三角肘板在各工況下對(duì)控制吊點(diǎn)局部區(qū)域受力和變形不盡相同，故對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方式也不同。

A、D型受力較復(fù)雜，在現(xiàn)場(chǎng)使用過程中此工況未出現(xiàn)明顯變形或損壞，因應(yīng)力集中等問題，與理論計(jì)算值有差別，需進(jìn)一步分析其復(fù)雜受力情況后方可對(duì)此工況結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，一般A、D型吊環(huán)用于分段合攏縫區(qū)域，該區(qū)域300 mm范圍內(nèi)破壞不計(jì)入PSPC涂層破壞范圍。

B、C型吊環(huán)在各工況作用下，加強(qiáng)肘板加強(qiáng)作用不明顯，無肘板方案各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，故取消此處加強(qiáng)肘板結(jié)構(gòu)。

4　結(jié)論

常用船用吊環(huán)的三角肘板加強(qiáng)在傳統(tǒng)的船舶建造中應(yīng)用量較大，計(jì)算分析表明，在保證吊裝安全的前提下，取消大部分吊環(huán)的三角肘板加強(qiáng)，將有效解決三角肘板加強(qiáng)保留在船體上時(shí)可能存在的硬點(diǎn)應(yīng)力集中問題或拆除時(shí)對(duì)船體PSPC的破壞難題，同時(shí)對(duì)船廠節(jié)約鋼材和施工成本，提高建造效率和保證船舶建造質(zhì)量有重要意義。

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Optimizing Research on the Strengthen Bracket of Hull Lifting Lug

LI Chuan-jiang1,2, TANG Wen-yong1, WANG Jia-zheng2

(1 School of Naval Architecture, Ocean& Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2 Zhoushan Changhong International Shipyard Co. Ltd, Zhoushan Zhejiang 316000, China)

In order to verify the effect of the strengthen bracket and optimize the structure in lifting point, the finite element method in PATRAN software is used to find the actually strengthen support of the strengthen bracket. By calculation and comparison, it is found that the strengthen bracket of lifting lug don't play a great role in strengthen the local structure, and some of the bracket can be removed to optimize the local structure for cutting the cost.

lifting lug; strengthen; bracket; optimization; finite element method

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.008

2015-10-10

2015-10-28

李川江(1986-)，男，學(xué)士，工程師

U661.43

A

1671-7953(2016)01-0035-06

研究方向:船舶建造工藝

E-mail:bzlizhiguo@126.com