有限元法在渔船吊装下水中强度分析

刘连伟

摘 要：船只下水通常都会采用吊装下水的方式，船厂需要充分考量工期以及船台安排情况。船体的吊装由于涉及到船体的重量以及尺寸，因此吊装设备的刚度以及强度需要有所保障。以此吊装方案设计的合理性要求极为严格，需要对吊耳以及吊绳强度进行保证。文章通过有限元分析法对渔船使用吊装下水时的强度进行分析，并阐释了吊装过程中渔船的具体状况。

关键词：下水；渔船吊装；有限元分析

1 引言

船厂在船只维修管理时需要对船坞的工期以及船台的使用进行安排，因而有些船只下水会使用吊装的方式。但是考虑到船体的结构以及具体的重量尺寸状况，吊装的强度、刚度保证成为了吊装船只的首要难题。对于吊装方式的选择以及对船只吊装时吊耳以及吊绳的有限元分析，能够充分保证船只吊装的顺利的进行。

2 有限元模型的建立

文章对船体吊装采用了案例分析的方式进行论述，以双层底的单壳结构渔船作为分析吊装的对象。该船体具有双层甲板，纵骨之间距离0.6米，肋骨之间距离0.57米。而内外底骨架则采用了混合式，舷侧以及甲板的骨架则采用了横骨架结构。

船体的有限元模型建立采用了目前船只模型建立中较为常用的Ansys软件。而模型的建立中单元板材采用了shell63壳，而单元骨材则使用了beaml88梁，单元模拟中空心立柱管采用了pipe16管。模拟模型有176960个单元，另外具有57543个节点。而吊装时船体会受到重力作用，因而船体的承载力也需要考虑在吊装状况影响因素中。因而有限元分析法对于船体、设备的重心位置是对吊装强度计算的关键点。有限元模型中对于船体的重心位置调整主要是通过调整船体钢材密度进行实现，而对于设备的调整则是改变质量单元的方式进行模拟。

3 方案选择

全船吊装方式在进行时会由于起吊作用使得船體发生变形，而对于船体较长的船只而言，变形量更大，因而吊装时需要增设吊耳，并保证吊耳的分布能够均匀，其主要原则为：吊耳分布要对称，保证整体吊装面的平衡，避免纵倾弯矩。另外吊耳的设置尽量在强力构件的纵向以及横向的交界处。

4 吊点计算

这里计算的吊点为中心吊点。由于吊装使用的是多级吊绳，因而必须将中间吊点的位置进行精准的计算，以此确定吊绳的级数选择以及吊耳、全船数值的模拟。对于中间吊点的计算，应当保证左舷右舷的吊绳位置完全对称，吊点的位置由于为对称形式，因而文章仅对一侧的中间吊点进行了计算。该船的吊装方式采用了十六吊耳以及三级吊绳方案进行吊装，因而一侧有八个吊耳，考虑到船体艏部四个吊耳及其相连吊绳与艉部四个吊耳及其相连吊绳的形式一致，因而对于计算模型的设置可以再次进行简化，仅对船尾吊绳、吊点进行计算，其他部位计算方法以此类推。

该种计算方法计算出的中间吊点是摒除了吊绳变形以及船体变形等不利因素，但是船体的吊装变形以及吊绳的变形是切实存在不可避免的，因而中间吊点会发生相应改变，尤其当船体的变形超过了规定限度时，中间吊点发生了严重的位置变化。对于该类问题可以通过有限元分析同最优化方法相互结合的方式予以解决，该种迭代的计算方式的具体操作步骤如下：

（1）以吊绳中二级以及三级吊绳的绳长为基础，结合已知吊点坐标通过最优法对中间吊点坐标进行计算；

（2）将上步中得出的坐标值输入到Ansys软件中，并通过该软件分析计算全船结构；

（3）通过软件对船体进行计算后，将吊点和中间吊点的位置位移坐标输入最优化求解程序中；

（4）通过对吊点以及中间吊点的变形计算得出二级吊绳绳长以及三级吊绳绳长；

（5）对吊点位置进行调整，并判断精度是否达到要求，如若精度达标则循环停止，若精度不够则需要重复上述步骤。

当通过最优化求解方式将精度调整到一定的范围中，使得吊装的中间吊点位置能够满足吊装需求时，则将二级吊绳以及三级吊绳穿过动滑轮，并保证两段吊绳上的轴向力相等。而在轴向力上误差小于千分之五可以认为吊点的位置精度满足了吊装的基本需求，上述循环能够结束。而对该渔船的三级吊绳中间吊点使用该种综合迭代的方式进行计算时，通过一个小时的最优化计算以及有限元分析，共迭代计算63次。对于该类分析一般会使用相应的专业软件，方便对相关的参数以及模型进行修改，并对中间吊点位置进行调整。

5 吊绳和吊耳模型

对中间吊点首次采用最优化方式求解后，在有限元模型的基础上对船体继续拧吊绳系统以及同吊绳系统适应的吊耳的建立，并保证吊绳能够同吊耳眼板处于一个平面，以此平衡吊装过程中船体的平衡。在使用最优化计算方法对吊绳的变形情况和船体的变形情况进行分析时，每完成一个循环后需要对吊绳系统的模型进行更新重建，而在有限元分析法的应用中同样需要模型的重建。当通过上述的迭代后，吊点能够基本获得稳定，最终通过确定吊绳系统，对吊耳的眼板进行配套的重新建立。

6 结果分析

为了更直观地反映中间吊点位置的计算精度，本文给出上级吊绳与下级吊绳之间的夹角关系并通过判断相连吊绳中两段吊绳所确定的平面法线是否与第三段吊绳垂直来判断相连吊绳是否共面。

通过上述分析中可以看出，上一级吊绳与其相连的下一级吊绳的角度基本相等，最大相对误差为0.042%，说明上级吊绳在下级吊绳的角平分线上。通过对吊绳以及中心吊点的分析可以看出两根吊绳所确定的平面的法线与第三根吊绳的夹角基本等于90°，最大相对误差为0.064%，说明相连吊绳共面。通过以上分析可知，中间吊点位置的计算结果在几何上能很好地满足精度要求。

另外，分别将未考虑船体和吊绳变形以及考虑了船体和吊绳变形两种情况下计算得到的中间吊点位置带入有限元模型中计算，并分别提取这两种分析中二、三级吊绳的轴力。在此，由于左右两舷结构对称，所以只列出右舷吊绳的轴力结果。

可以看出，只采用一次最优化求解得到的中间吊点用于有限元计算时，同一根吊绳中的轴力相差较大，最大相对误差为12.613%。而采用最优化方法与有限元迭代计算以后的中间吊点用于有限元计算时，同一根吊绳中的轴力基本相等，最大相对误差为0.190%。这说明采用最优化方法与有限元迭代优化得到的中间吊点位置具有很高的精度。

7 结束语

文章对于船体的吊装过程设计进行了相应的讨论，并着重对有限元分析法过程进行了阐述，通过对船体以及吊绳吊耳系统的计算过程的讨论，着重分析了吊装过程中怎样对多级吊绳的中间吊点进行计算。通过分析结论如下：

（1）当船体的纵向尺寸过大，而另外两方向的尺寸相对较小时，吊装过程中多级吊装的方式能够有效的减小其结构变形状况，从而保证吊装时受力情况的稳定性。

（2）本文提出了一种计算多级吊绳中间吊点位置的新方法，该方法采用最优化理论求解，并考虑了船体和吊绳变形对中间吊点位置求解的影响。该方法计算得到的中间吊点位置具有很高的精度；

（3）通过对计算结果进行分析，对受力状态以及吊点位置进行计算时，不能忽视吊绳以及船体的变形。文章通过综合迭代方式进行求解，能够有效保证吊绳上受力均匀，从而保证吊装时，吊绳强度、材质选择校核顺利进行。

（4）本文编制了船体吊装中间吊点位置计算软件，使得计算中间吊点位置的方法能够方便地应用于实际工程结构；

参考文献

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