徐 博，蔡詩(shī)劍，李 順，殷俊俊

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2.上海市船舶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200011）

主推進(jìn)柴油機(jī)（簡(jiǎn)稱主機(jī)）作為船舶的重要設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行保養(yǎng)和維修工作是必須要面對(duì)的問(wèn)題。根據(jù)目標(biāo)船主機(jī)全壽期維修保障大綱的要求，主機(jī)工作一定時(shí)長(zhǎng)需進(jìn)行修理，一般采用原位拆檢，不需要整機(jī)出艙，只有當(dāng)主機(jī)重要部件（如曲軸）損壞時(shí)，才需返廠換修并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。但是在緊急情況下，原位拆檢修理周期長(zhǎng)，無(wú)法滿足需求，整機(jī)換裝是首選方案。主機(jī)出艙需要結(jié)合該船的結(jié)構(gòu)形式、承修廠拆裝工藝的復(fù)雜性和主機(jī)的相關(guān)參數(shù)，制定周密的出艙方案，必然要考慮艙內(nèi)吊裝問(wèn)題，對(duì)吊裝出艙過(guò)程中工裝設(shè)施和船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評(píng)估。一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于船舶主機(jī)出艙設(shè)計(jì)和評(píng)估方面的研究較少。楊京華等[1]開發(fā)設(shè)計(jì)出一種可組合式主機(jī)缸體總成設(shè)備吊裝工裝；陳文戰(zhàn)等[2]對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)吊裝軌道系統(tǒng)開展了受力分析；邊超斐等[3]從工法和工藝的角度對(duì)設(shè)備吊裝出艙進(jìn)行介紹，并對(duì)艙內(nèi)吊裝區(qū)域進(jìn)行了強(qiáng)度分析；孔寧等[4]指出吊裝過(guò)程，眼板附近或較大開口結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要對(duì)模型適當(dāng)簡(jiǎn)化處理。二維或三維梁系模型相比有限元板梁模型簡(jiǎn)化程度高，也常用于甲板支撐構(gòu)件評(píng)估，如DNV的3D-BEAM 軟件，以矩陣位移法和鐵木辛柯梁理論為基礎(chǔ)，可計(jì)算平面梁系及三維空間梁系的響應(yīng)。高處等[5]在使用3DBEAM 評(píng)估車輛甲板門式鋼架結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)端部剪應(yīng)力和有限元模型結(jié)果存在較大差異，分析指出在評(píng)估剪應(yīng)力時(shí)，梁系模型計(jì)算結(jié)果偏危險(xiǎn)。

由于主機(jī)通過(guò)多根吊索實(shí)現(xiàn)橫向、縱向移動(dòng)，出艙路線復(fù)雜，存在多種工況組合的情況，因此選擇適合的規(guī)范進(jìn)行評(píng)估是必要的，但是目前國(guó)內(nèi)外缺少相關(guān)規(guī)范指導(dǎo)。并且主機(jī)移動(dòng)是通過(guò)工人操作手拉葫蘆實(shí)現(xiàn)的，吊索在交替使用過(guò)程中，容易發(fā)生吊索失效或受力不均的情況，影響了吊裝區(qū)域的結(jié)構(gòu)、設(shè)備甚至人員安全，如何考慮安全系數(shù)是吊裝評(píng)估的難點(diǎn)。另外，由于本船特殊的內(nèi)部設(shè)計(jì)，選擇合適的簡(jiǎn)化計(jì)算方法也是十分重要的，文章以有限元直接計(jì)算作為對(duì)比，對(duì)單跨梁和三跨梁理論的適用性做了論證，為指導(dǎo)主機(jī)吊裝作業(yè)提供了理論依據(jù)。

1 主機(jī)吊裝出艙工裝設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)出艙方案

本船在前機(jī)艙右舷、后機(jī)艙左舷各布置2 臺(tái)主機(jī)，每臺(tái)主機(jī)質(zhì)量為105 t。移出路線方案需要綜合考慮各方面的因素，使拆裝工程對(duì)船的影響最小。圖1 為水平方向主機(jī)出艙路線示意圖，在2#、3#、4#主機(jī)上方甲板都可直接開口，主機(jī)經(jīng)吊索垂直吊至塢艙后，然后橫向移動(dòng)至小車處；1#主機(jī)上方甲板由于無(wú)法開口直接吊出，需要先將2#主機(jī)吊裝出艙后，在機(jī)艙內(nèi)通過(guò)橫移工裝至2#主機(jī)處，然后再通過(guò)吊索吊裝出艙；當(dāng)3#、4#主機(jī)都需出艙時(shí)，只在3#主機(jī)上方甲板開口，4#主機(jī)也需要通過(guò)橫移工裝至開口下方，通過(guò)吊索吊裝出艙。考慮到結(jié)構(gòu)的安全性，小車停放在距離開口較遠(yuǎn)的塢艙縱艙壁處，這也導(dǎo)致4臺(tái)主機(jī)在塢艙內(nèi)吊裝橫移時(shí)工況較多，需要布置足夠多的吊點(diǎn)。

圖1 水平方向主機(jī)出艙路線示意圖

1.2 眼板布置

通過(guò)固定在強(qiáng)橫梁上的眼板用吊索將主機(jī)從機(jī)艙內(nèi)垂直起吊至塢艙，采用2組吊索交替使用的方式沿著船體橫向移動(dòng)，同一時(shí)間僅有1 組吊索（8 根吊索）受力，圖2 為主機(jī)起吊示意圖。主機(jī)正上方的4 根橫梁上設(shè)置吊點(diǎn)，橫向2 個(gè)吊點(diǎn)之間的距離通常略大于主機(jī)上吊點(diǎn)寬度，并據(jù)此合理布置眼板間距。相鄰眼板之間的橫向距離為0.8 m，2個(gè)吊點(diǎn)之間的橫向距離為2.4 m。眼板根據(jù)GB 7029-86《船用眼板》選取。

圖2 主機(jī)起吊示意圖

1.3 主機(jī)艙內(nèi)橫移工裝設(shè)計(jì)

主機(jī)在機(jī)艙內(nèi)向工藝開口進(jìn)行橫向移動(dòng)時(shí)，需在主機(jī)下方設(shè)置導(dǎo)軌座、導(dǎo)軌梁、圓鋼和主機(jī)托架。導(dǎo)軌座焊接在內(nèi)底板上，與主機(jī)基座錯(cuò)開，其頂部高于主機(jī)基座頂部；導(dǎo)軌梁放置在導(dǎo)軌座上，橫向布置；圓鋼放置在導(dǎo)軌梁上，縱向布置；主機(jī)架在主機(jī)托架上，再放置在圓鋼上，通過(guò)圓鋼的滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)橫向平移。

1#主機(jī)和4#主機(jī)經(jīng)2#工藝開口出艙時(shí)，涉及到主機(jī)在機(jī)艙內(nèi)橫移問(wèn)題。新建導(dǎo)軌基座1、2、3 作為受力點(diǎn)，避免主機(jī)基座因承受主機(jī)重力而產(chǎn)生變形，導(dǎo)軌梁與主機(jī)基座之間的垂直距離為h，根據(jù)實(shí)際施工情況確定h大小。以導(dǎo)軌基座為支撐點(diǎn)，沿船體橫向設(shè)置4根工字鋼作為軌道，在每條導(dǎo)軌上沿船體縱向放置圓鋼，主機(jī)艙內(nèi)橫移示意圖如圖3所示。

圖3 主機(jī)艙內(nèi)橫移示意圖

2 主機(jī)吊裝甲板主要構(gòu)件安全性評(píng)估

2.1 校核衡準(zhǔn)

通過(guò)梳理主機(jī)吊裝出艙過(guò)程中安全評(píng)估涉及的相關(guān)規(guī)范，考慮到設(shè)備吊裝的場(chǎng)景與船舶起重設(shè)備工作場(chǎng)景較為接近，所以在《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）中“3.10.7.1強(qiáng)度衡準(zhǔn)”的基礎(chǔ)上，從其它規(guī)范中補(bǔ)充撓度衡準(zhǔn)，對(duì)比后采用較為保守的勞氏軍規(guī)《LR Rules and Regulations for the Classfication of Navel Ships》撓度比要求。

許用彎曲應(yīng)力[σ]為：

式中，σs為材料屈服強(qiáng)度，本文取235 N/mm2；n1為彎曲應(yīng)力安全系數(shù)，取1.67。

經(jīng)計(jì)算，[σ]=141 N/mm2。許用剪切應(yīng)力[τ]為：

式中，n2為剪切應(yīng)力安全系數(shù)，取2.50。

經(jīng)計(jì)算，[τ]=94 N/mm2。撓度比[f]為：

式中，ω為梁的撓度；l為橫梁支撐點(diǎn)之間的距離。

2.2 載荷安全系數(shù)分析

在主機(jī)出艙時(shí)，眼板所在甲板上僅有少量設(shè)備，因此忽略甲板上的設(shè)備重量和載荷。另外主機(jī)吊裝在艙內(nèi)操作，吊升過(guò)程非常緩慢平穩(wěn)，而且受力眼板位置與設(shè)備吊環(huán)位置基本一致，眼板主要承受垂直向下的載荷，即主機(jī)自身的重量?？紤]單臺(tái)主機(jī)105 t 產(chǎn)生的載荷，單個(gè)吊點(diǎn)的平均靜載荷為131.25 kN。

實(shí)際操作中可能存在動(dòng)載荷、受力不均勻及意外情況，實(shí)際載荷可表示為靜載荷乘一定的安全系數(shù)。對(duì)于目標(biāo)船吊裝工況，設(shè)備自重、船舶傾斜和其他水平力暫不考慮，參考《規(guī)范》，起升載荷可表示為：

式中，F(xiàn)′為起升載荷；P為設(shè)備靜載荷；φh為起升系數(shù)，指在起重設(shè)備工作時(shí)，考慮所有動(dòng)載效應(yīng)的系數(shù)，參考龍門式起重機(jī)，φh取1.15；φd為作業(yè)系數(shù)，指考慮起重設(shè)備作業(yè)頻次與載荷狀態(tài)的余度系數(shù)，參考龍門式起重機(jī)，φd取1.05。

同時(shí)，也要考慮主機(jī)移動(dòng)過(guò)程中，8 根吊索存在某一根吊索失效的極端情況（《規(guī)范》中沒(méi)有考慮這種情況）。將主機(jī)重心位置和受力眼板端部通過(guò)多點(diǎn)約束（MPC）連接，主機(jī)重量通過(guò)集中力的方式模擬，加載在8個(gè)眼板的幾何中心，高度距離下甲板1 m 的位置。模擬端部或者中間位置一根吊索失效的情況，吊索失效水平示意圖見(jiàn)圖4，周圍圓圈表示受力的吊索，中間橢圓表示主機(jī)中心。

圖4 吊索失效水平示意圖

定義意外載荷系數(shù)φf(shuō)：

式中，F(xiàn)max為某根吊索失效情況下，計(jì)算得到的眼板最大MPC受力；Fave為8根吊索均勻受力情況下，計(jì)算得到的眼板平均MPC受力。

經(jīng)計(jì)算，圖4（a）中φf(shuō)=1.448；圖4（b）中φf(shuō)=1.616。

綜合以上分析，吊裝評(píng)估統(tǒng)一取安全系數(shù)C為：

另外，由于起升載荷包括起重設(shè)備安全工作負(fù)荷與起重設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件自重之和，需要包含手拉葫蘆和吊索重量，將設(shè)備重量計(jì)入安全系數(shù)內(nèi)統(tǒng)一考慮，最終C取2。

故該船單個(gè)吊點(diǎn)實(shí)際加載的力F為：

2.3 基于梁理論計(jì)算方法的結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估

上甲板板架可簡(jiǎn)化成甲板縱桁和甲板強(qiáng)橫梁組成的交叉梁系結(jié)構(gòu)。由于目標(biāo)船甲板縱桁的跨度很長(zhǎng)，其對(duì)強(qiáng)橫梁的支撐很弱，因此可忽略甲板縱桁的支撐作用，僅考慮強(qiáng)橫梁。

1）模型要求。對(duì)于甲板板架結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)考慮主要構(gòu)件的強(qiáng)度，需要將主要構(gòu)件簡(jiǎn)化成梁模型。主要構(gòu)件的帶板對(duì)梁的抗彎能力有重要作用，需要反映在梁模型中。本文校核的橫梁長(zhǎng)度為22.184 m，兩側(cè)縱艙壁間橫梁長(zhǎng)度為17.4 m，橫梁結(jié)構(gòu)剖面為T 型材，甲板橫梁間距為2 m。參考《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》，以橫梁腹板為基準(zhǔn)，沿船首和船尾方向各取1 m作為T型材的帶板。

2）單跨梁理論計(jì)算方法?；谠摯厥獾膬?nèi)部設(shè)計(jì)，塢艙兩側(cè)縱艙壁和支柱對(duì)強(qiáng)橫梁有較強(qiáng)的約束，將強(qiáng)橫梁簡(jiǎn)化為端部位于縱艙壁、邊界條件為固支的單跨梁，在跨內(nèi)承受2 個(gè)集中力作用，單跨梁彎曲簡(jiǎn)化過(guò)程如圖5所示。橫梁的應(yīng)力和撓度查彎曲要素表可得。

圖5 單跨梁彎曲簡(jiǎn)化過(guò)程

3）三跨梁理論計(jì)算方法。基于強(qiáng)橫梁兩端與強(qiáng)肋骨連接，端部采用剛性固定，縱艙壁加支柱對(duì)橫梁起到支撐作用，但是抗彎能力有限，因此將強(qiáng)橫梁簡(jiǎn)化為兩端固支且有2個(gè)自由支座的三跨梁，在中間跨承受2個(gè)集中力作用，三跨梁彎曲簡(jiǎn)化過(guò)程如圖6所示。

圖6 三跨梁彎曲簡(jiǎn)化過(guò)程

分析結(jié)構(gòu)，該三跨梁為4 次靜不定結(jié)構(gòu)，因此有4 個(gè)未知量，采用“力法”[6]進(jìn)行求解，去除多余約束將靜不定梁化為靜定結(jié)構(gòu)，根據(jù)變形連續(xù)條件，在去掉約束加上約束反力矩的地方建立變形連續(xù)方程式如下：

式中，E為彈性模量；I為梁截面慣性矩；L為支座1、2 之間的距離；La、Lb為集中力加載位置A、B到支座1 的距離；L′a、L′b為集中力加載位置A、B到支座2的距離，La+L′a=Lb+L′b=L，Lb=La+2.4；L0為支座0、1 和2、3 之間的距離；M0、M1、M2、M3為約束反力矩。

聯(lián)立解方程可求出約束反力矩M0、M1、M2、M3，進(jìn)而計(jì)算得到橫梁的應(yīng)力、撓度。

2.4 基于有限元計(jì)算方法的結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估

1）模型要求及邊界條件。模型范圍選取的原則為：縱向?yàn)榈跹b區(qū)域前后至少延伸3 個(gè)強(qiáng)框間距；橫向取整個(gè)船寬；垂向?yàn)榈觞c(diǎn)處甲板和其下層甲板之間部分，建立有限元模型。

詳細(xì)建立板、橫梁、縱桁、縱骨和支柱等結(jié)構(gòu)的幾何模型，對(duì)甲板、縱艙壁和T型材腹板以及眼板所在區(qū)域的T型材面板采用四邊形單元，網(wǎng)格大小保證強(qiáng)橫梁面板能劃分4 個(gè)網(wǎng)格；其他T 型材面板、縱骨及支柱結(jié)構(gòu)用梁?jiǎn)卧?；眼板進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，可用板單元模擬其基本大小，不做開口。網(wǎng)格尺寸為100×100。

模型與下層甲板和船體外板剛性連接，在模型底部和甲板舷側(cè)端施加位移約束，模型前后端采用對(duì)稱邊界條件（垂直于端面方向的線位移為0，繞端面內(nèi)兩坐標(biāo)軸的角位移為0）。

2）載荷施加。吊鉤與眼板處的接觸應(yīng)力很難通過(guò)有限元來(lái)模擬，實(shí)際吊裝過(guò)程中主要根據(jù)吊裝載荷來(lái)選取對(duì)應(yīng)型號(hào)的眼板，以滿足其強(qiáng)度。在有限元中，以集中力的形式將載荷施加在眼板下端，加載在單個(gè)眼板上的垂向力大小為262.5 kN。吊裝有限元模型及載荷施加如圖7所示。

3）工況設(shè)置。按照出艙路線，對(duì)4 臺(tái)主機(jī)從起吊到移動(dòng)到指定位置過(guò)程中的每一步均設(shè)置工況進(jìn)行受力分析。

4）結(jié)果讀取。采用有限元分析軟件MSC Nastran 計(jì)算強(qiáng)橫梁的應(yīng)力和撓度，強(qiáng)橫梁彎曲應(yīng)力讀取自板單元面內(nèi)正應(yīng)力，剪切應(yīng)力讀取自板單元面內(nèi)剪切應(yīng)力。

2.5 梁理論計(jì)算和有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

將主機(jī)吊裝出艙可能存在的全部工況（La為0.7～14.3 m，步長(zhǎng)0.8 m），梁理論計(jì)算和有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖8所示。從圖8可以看出，單跨梁結(jié)果與有限元結(jié)果相差較大，表現(xiàn)為正應(yīng)力偏大，撓度偏小，說(shuō)明將強(qiáng)橫梁簡(jiǎn)化為固定在塢艙縱艙壁上的單跨梁是不合理的，由于邊界條件過(guò)強(qiáng)，導(dǎo)致計(jì)算得到的正應(yīng)力過(guò)大，梁的變形偏小，結(jié)果和實(shí)際情況不符。

圖8 梁理論計(jì)算和有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比

三跨梁和有限元計(jì)算的彎曲正應(yīng)力曲線變化趨勢(shì)相同，兩者得到的最大彎曲正應(yīng)力對(duì)應(yīng)的工況都是La為4.7 m 或10.3 m，而且橫梁最大正應(yīng)力出現(xiàn)在和支撐縱艙壁連接處，三跨梁模型彎曲正應(yīng)力水平要比有限元模型高，誤差在13%以內(nèi)。三跨梁模型和有限元模型的最大剪切應(yīng)力對(duì)應(yīng)的工況都是La為0.7 m 或14.7 m，而且橫梁最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在集中力加載位置和支撐縱艙壁之間，有限元剪應(yīng)力要比理論模型高，誤差在14%以內(nèi)。三跨梁和有限元計(jì)算得到的最大撓度比非常接近，誤差在11%以內(nèi)，當(dāng)La為7.1 m 或7.9 m 時(shí)，三跨梁計(jì)算和有限元計(jì)算都取得最大撓度。而且從圖8中可以看出，橫梁撓度的安全裕量相對(duì)是最小的，換言之，強(qiáng)橫梁的安全性主要取決于撓度是否滿足衡準(zhǔn)。

總的來(lái)說(shuō)，主機(jī)吊裝安全性評(píng)估，基于三跨梁模型得到的結(jié)果與有限元結(jié)果吻合較好，在誤差允許的范圍內(nèi)，三跨梁模型推導(dǎo)的應(yīng)力和變形結(jié)果是安全可靠便捷的。

三跨梁模型為指導(dǎo)主機(jī)吊裝方案的制定、吊裝作業(yè)的開展提供了理論依據(jù)。根據(jù)該方法，通過(guò)編寫Excel 表可快速計(jì)算大量工況，進(jìn)一步可找到最大正應(yīng)力、最大剪應(yīng)力、最大撓度對(duì)應(yīng)的工況并進(jìn)行校核。以本船主機(jī)吊裝方案為例，La為4.7 m 工況下的最大正應(yīng)力、La為0.7 m 工況下的最大剪應(yīng)力、La為7.1 m 工況下的最大撓度是吊裝過(guò)程中的代表工況，只要滿足衡準(zhǔn)就能保證結(jié)構(gòu)的安全。也可以進(jìn)一步通過(guò)理論計(jì)算反推，3 個(gè)工況對(duì)應(yīng)的臨界載荷分別為357 kN、668 kN、345 kN，只要保證單根橫梁?jiǎn)蝹€(gè)吊點(diǎn)載荷不超過(guò)345 kN，也能保證結(jié)構(gòu)的安全。

根據(jù)上述對(duì)比分析，三跨梁模型和有限元計(jì)算都能進(jìn)行主機(jī)出艙結(jié)構(gòu)安全評(píng)估。有限元方法成熟、可靠，但是需要耗費(fèi)大量的時(shí)間建模分析；理論計(jì)算是根據(jù)梁理論和以往有限元計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，將吊裝的主要受力構(gòu)件簡(jiǎn)化成三跨梁模型，可針對(duì)吊裝工況進(jìn)行快速的計(jì)算，且便于模型的修改和重復(fù)計(jì)算。通過(guò)上文對(duì)梁理論和有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，也驗(yàn)證了三跨梁理論模型的合理性和可靠性。因此，三跨梁模型可用來(lái)評(píng)估目標(biāo)船主機(jī)吊裝出艙過(guò)程中強(qiáng)橫梁的安全性。但是值得注意的是，如果板架的縱向長(zhǎng)度較短，則縱桁的支撐作用不能忽略，這種情況下，上述簡(jiǎn)化計(jì)算方法不太適用，需要采用梁系計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)束語(yǔ)

主機(jī)尺寸大、質(zhì)量大，出艙路線復(fù)雜，為了保證吊裝的安全性，吊裝出艙過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估是十分必要的。通過(guò)梳理相關(guān)規(guī)范，為大型設(shè)備出艙方案的制定提供依據(jù)，提出了主機(jī)吊裝出艙過(guò)程中船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的直接計(jì)算方法（包括梁理論計(jì)算方法和有限元計(jì)算方法）。并以目標(biāo)船為研究對(duì)象，通過(guò)開展主機(jī)出艙過(guò)程中，船體結(jié)構(gòu)的載荷分析、強(qiáng)度和剛度計(jì)算，對(duì)吊裝方案的安全性進(jìn)行了評(píng)估，得出以下結(jié)論：①針對(duì)主機(jī)吊裝提出的出艙和工裝方案，為類似設(shè)備出艙轉(zhuǎn)移提供參考；②針對(duì)多根吊索起吊的大型設(shè)備吊裝作業(yè)，提出了確定意外載荷系數(shù)的方法；③主機(jī)吊裝出艙方案安全性滿足要求，單跨梁模型與實(shí)際情況不符，三跨梁和有限元計(jì)算結(jié)果吻合較好，建議編寫Excel 表，可顯著提高計(jì)算效率，三跨梁模型計(jì)算方法為指導(dǎo)吊裝作業(yè)提供了理論依據(jù)；④由于目標(biāo)船甲板縱桁的跨度很長(zhǎng)，其對(duì)強(qiáng)橫梁的支撐很弱，因此可以忽略甲板縱桁的支撐作用，僅考慮強(qiáng)橫梁。如果板架的縱向長(zhǎng)度較短，則縱桁的支撐作用不能忽略，這種情況下，單梁理論計(jì)算方法不太適用，需要采用梁系計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。