基于有限元分析的船舶分段吊装定位焊布置设计

王先德， 罗　宇， 钟志平

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院， 上海 200030； 2.中海工业(江苏)有限公司， 江苏 扬州 225200)



基于有限元分析的船舶分段吊装定位焊布置设计

王先德1， 罗宇1， 钟志平2

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院， 上海 200030； 2.中海工业(江苏)有限公司， 江苏 扬州 225200)

摘要根据船体Tribon模型，运用MSC Patran建立舷侧总段的有限元分析模型，分析总段在吊装定位时定位焊布置的结构强度。通过计算机模拟，可以确定应力分布和结构变形。根据其特点，提出了合理有效的改进措施，为分段吊装定位焊布置提供了依据。有限元分析计算的结果，可用于指导船舶分段吊装定位焊布置的设计和优化，提高船舶建造的效率。

关键词分段吊装定位焊布置有限元强度分析

Tacking Welding Arrangement Design of Assemble Block Based on Finite Element Analysis During Erection

WANG Xian-de1, LUO Yu1, ZHONG Zhi-ping2

(1.Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China;2.China Shipping Industry (Jiang Su) Co., Ltd., Yangzhou Jiangsu 225200, China)

AbstractAccording to the Tribon model,analysing the tacking welding strength during erection of assemble block using the finite element analysis model of side shell assemble block which established by MSC patran.Confirm the stress distribution and structural deformation through computer simulation.According to its characteristics,come up with the effective and improvement measures which could be the basis and theory of tacking welding arrangement when do erection work.The result of FEM analysis can be used to guide the design and improvement work of tacking welding arrangement during erection. Also it can improve the efficiency of shipbuilding.

Keywords Block erectionTacking welding arrangementFEMStrength analysis

0引言

船体分段的吊装速度会直接影响船体建造坞期，对加快分段吊装速度，缩短船舶建造坞期，提高大型吊车使用效率具有重要意义。船体分段吊装定位焊是船舶分段吊装的一个重要环节，其主要作用是保证分段吊装松钩到装配结束这一阶段，安全、稳定的固定在吊装位置上，确保分段不发生倾倒、沉降甚至掉落等安全和质量事故。合理的定位焊布置不仅能快速地固定分段，还能减小分段变形，使分段定位数据控制在规范范围内。

近年来，相继出现有介绍船体艏总段、上层建筑整体吊装等主要针对吊装过程中分段变形和吊耳强度分析的文章，但对于分段吊装定位焊布置的关注仍比较少。本文利用MSC Patran & MSC Nastran软件，以某散货船舷侧总段为例，对该总段吊装定位焊布置的结构强度进行了有限元分析计算，验证了基于有限元分析的船舶分段吊装定位焊布置设计的可行性。

1分段定位焊布置及有限元模型

1.1分段定位焊布置

(605+606)S总段纵向从FR79-620至FR90-200，质量为105 t,外形尺寸为17 640 mm×6 380 mm×8 920 mm。定位焊布置位置如图1、表1所示。该总段吊装到位后，向艉与604S分段连接，向下与305S、306S分段相接，与相邻分段合拢口存在5～8 mm间隙。(605+606)S总段利用与604S、305S、306S之间的定位焊固定在理论位置上。分段定位焊布置要考虑分段质量及重心，同时兼顾分段结构来布置。分段定位焊布置原则与吊耳布置相似，要尽量对称，布置在纵向强结构与横向强结构交汇处，同时要充分考虑施工可行性。

图1　定位焊布置示意图

表1　定位焊布置方案　　　　　　　　　　　　　　　　　单位：mm

1.2有限元模型的建立

本文采用MSC Patran建立(605+606)S总段的三维有限元模型，采用右手坐标系，原点位于FR79船中位置，X轴以船艏方向为正，Y轴以左舷为正，Z轴以船高方向为正。建模原则参照中国船级社《船体结构强度直接计算指南》[1]，并查找相关文献[2～5]，模型有限元网格单元采用3节点与4节点板单元和偏心梁单元，网格纵向长度为肋距，横向以及垂向长度为纵骨间距，模型板厚为建造厚度。船舶结构材料为普通钢及高强钢，模型中涉及的材料参数：弹性模量E=2.10×105；密度ρ=7.85×10-9T/mm3；泊松比ν=0.3。图2为总段有限元模型。

图2　总段有限元模型

1.3质量模型

本文主要研究定位焊构件及船体结构在重力作用下的应力与变形。模型质量通过给有限元单元赋属性实现。模型质量105 t，模型重心纵向位置为7 860 mm，横向位置为-13 760 mm，垂向位置为13 750 mm，与Tribon统计的质量及重心位置基本一致。

1.4边界条件

分析计算时，仅考虑重力的影响，惯性载荷取g=-9 800 mm/s2，其余方向为0。A、B、C、D处T型材腹板与下方分段T型材腹板相接的节点约束x、y、z三个方向的线位移和角位移，甲板合拢口E、F处与604分段相接节点约束x、y、z三个方向的线位移和角位移，G处支柱下端节点约束x、y、z三个方向的线位移和角位移。

2结果

2.1初步定位焊方案的结构相应分析

考虑到安全因素，安全系数取n=1.5，因此，普通钢和高强钢的许用应力如表2所示。

经过有限元计算，总段在定位焊固定下，A-G处定位焊构件及附近船体结构应力较大，分段其余位置应力较小。变形最大处位于支柱，最大位移3.22 mm，分段整体变形不大。分析计算结果，发现F处相当应力达到277 MPa，超过许用应力，A、B、C 处T型材相当应力最大达到186 MPa，超出许用范围。计算结果见表3及图3～图8。

表2　分段主要结构材质及许用应力表　单位：MPa

表3　定位焊构件有限元计算结果　　单位：MPa

图3　总段应力云图　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4　A、B、C、D处应力云图

图5　E处应力云图　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6　F处应力云图

图7　G处应力云图　　　　　　　　　　　　　　　　　　图8　总段变形云图

2.2新方案的结构相应分析

新方案中考虑船体结构的材质已定，采取增加定位焊布置点的方法改进原方案。如图9所示，在外板T型材定位焊布置点A、B之间FR82处增加同类型定位焊H，在C、D之间FR94处增加同类型定位焊I，以达到减小A、B、C三处应力的目的。在甲板合拢口E、F之间DL3处增加同类型定位焊构件J。新定位焊布置方案重新进行分析计算后，A、B及H、I处最大相当应力降低到149 MPa，E、F、G、J处最大相当应力降低到198 MPa,各区域最大相当应力及变形都在安全范围内。新方案计算结果见表4及图10～图16。

表4　新方案定位焊构件有限元计算结果　　　　　　　　　　　单位：MPa

图9　新方案定位焊布置示意图　　　　　　　　　　　　图10　新方案总段应力云图

图11　新方案E处应力云图　　　　　　　　　　　图12　新方案A、B、C、D、H、I处应力云图

图13　新方案F处应力云图　　　　　　　　　　　　　　　图14　新方案J处应力云图

图15　新方案G处应力云图　　　　　　　　　　　　　　图16　新方案总段变形云图

3结论

(1) 应力集中区域主要分布在定位焊构件及其周边，距离定位焊位置越远，分段变形越大，但变形程度较小，最大变形处发生在支柱。

(2) 合理的分段吊装定位焊布置设计，将有利于分段的受力分布，有效降低分段定位焊布置位置的结构响应，并且提高分段定位的安全性。

(3) 有限元分析可以从结构变形，应力分布等方面科学地评价分段吊装定位焊布置方案的可行性，并对方案进行优化，加快分段吊装定位焊方案的确定，缩短船舶建造坞期。

参考文献

[1]中国船级社．船体结构强度直接计算指南[M]．北京：人民交通出版社，2001.

[2]严峰.巨型总段吊装中的有限元方法应用[J].船海工程，2013(42):69-73.

[3]刘文华，陆红干，李 斌.散货船船首总段整体吊装强度有限元分析[J]．船舶设计通讯，2009(1):23-26.

[4]侯淑芳.散货船结构强度的有限元分析[D].大连：大连海事大学，2011.

[5]张延昌，王自力，罗广恩．船舶上层建筑整体吊装强度有限元分析[J]．船舶工程，2006(3)：62-65．

中图分类号U662

文献标志码A

作者简介：王先德(1984-)，男，硕士研究生，主要从事船体合拢及焊接研究。