64 000载重吨散货船上层建筑总段吊装强度分析

严 勇，周 红

(1.南通象屿海洋装备有限责任公司，江苏 南通 226368；2.江苏现代造船技术有限公司，江苏 镇江 212003)

0 引言

上层建筑作为船舶甲板上方体积最大的结构，在设计建造过程中会涉及到结构、管系、电气、铁舾、涂装等多个工种，是重要的船舶结构模块。随着船舶建造技术的不断进步，为了缩短船舶建造周期及建造成本，上层建筑作为一个完整的模块建造完毕后，需要整体吊装至船上进行安装。上层建筑作为整体结构进行吊装明显能够提高预舾装率，并且能够缩短船舶建造周期，提高船舶生产效率。但是，舾装完整度的增加势必会增加上层建筑的重量，同时对上层建筑结构的强度要求也会提高，因此在提高舾装完整度的同时对上层建筑整体吊装的强度进行分析是至关重要的。

很多国内学者借助有限元软件研究了上层建筑整体吊装存在的强度问题。张延昌等[1]利用MSC.Nastran软件分析了105 000载重吨油船上层建筑的整体吊装强度，并根据有限元分析结果给出了结构加强措施，从而有效地指导上层建筑实际结构的整体吊装。李永正等[2]利用MSC.Nastran软件分析了某超大型油船VLCC、大型油船上层建筑的整体吊装强度，并根据有限元分析结果给出了结构加强措施，为上层建筑吊装提出指导性建议。徐柏鑫等[3]利用有限元计算分析了9 400标准箱集装箱船上层建筑整体吊装结构强度，并且通过一定的结构加强方式及对舾装件安装进行合理控制，最终形成了上层建筑吊装的技术方案。罗勇等[4]利用MSC.Nastran对某型VLCC上层建筑吊装引起的应力和变形进行校核，为上层建筑在完成内舾装后进行整体吊装的可行性提供依据。芮晓松等[5]采用有限元分析方法分析了15 000载重吨化学品船机舱分段的吊装强度，并提出分段改进措施及验证其合理性。这些文献对油船、化学品船、集装箱船的上层建筑吊装强度研究较多，而对国内三大船型之一的散货船的上层建筑吊装强度研究较少。

本文以64 000载重吨散货船上层建筑总段为研究对象，为了解决其实际吊装问题，利用MSC.Patran软件建立上层建筑总段有限元模型，通过MSC.Nastran软件对上层建筑总段进行整体吊装强度有限元分析，评估其吊装方案，并给出实际吊装加强建议，从而保证上层建筑总段吊装方案的安全性和可靠性。

1 上层建筑整体情况及有限元模型

1.1 上层建筑基本情况

64 000载重吨散货船上层建筑总段从上至下共有五层结构，包括罗经甲板及围壁结构、桥楼甲板及围壁结构、C层甲板及围壁结构、B层甲板及围壁结构、A层甲板及围壁结构。整个上层建筑总段长13.94 m、宽32.16 m、高16.2 m。上层建筑各层甲板结构均采用纵骨架式。上层建筑总段结构材料采用普通碳素钢，材料密度为7 850 kg/m3，弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3，材料许用应力为235 MPa。

上层建筑总段的实际结构重量重心以及舾装等重量、有限元模型结构重量重心数据见表1，修正后的有限元模型结构重量重心应尽量接近于实际结构的重量重心。

1.2 吊装方案

上层建筑总段整体吊装时，采用的吊装方案为：分别在桥楼甲板左舷y=12 330 mm位置布置2组吊耳，连接下小车。另外，在桥楼甲板右舷Fr 21、y=9 286 mm位置布置1组吊耳，连接1#上小车；右舷Fr 35、y=9 286 mm位置布置1组吊耳，连接2#上小车。

表1 上层建筑总段结构重量及重心位置

1.3 上层建筑有限元模型

1.3.1总段有限元模型

利用MSC.Patran软件建立64 000载重吨散货船上层建筑总段有限元模型，如图1所示。吊耳结构如图2所示。吊耳细化模型如图3所示。有限元模型网格尺寸参考中国船级社《双舷侧散货船结构强度直接计算指南》[6]选取，即沿船长方向每肋位取2个网格，沿船宽方向每纵骨间距取2个网格；上层建筑有限元模型中的板材均采用四节点壳单元；纵骨、横梁均采用梁单元模拟。上层建筑总段有限元模型共包括33 226个节点，46 300个单元。

图1 上层建筑总段有限元模型

1.3.2边界条件

上层建筑总段整体吊装分析包括吊装前和吊装时的结构响应分析，上层建筑总段由吊装引起的结构响应则是吊装前和吊装时结构响应的合成。

上层建筑总段在吊装前，结构置于胎架上，总段重量通过胎架传至地面。分析总段结构在吊装前的结构响应时，约束处理采用A层甲板围壁下端约束x、y、z方向的线位移和角位移，即完全刚性固定。上层建筑总段在吊装时，总段重量通过吊耳传至缆绳。分析总段结构在吊装时的结构响应时，约束处理采用驾驶甲板右舷Fr 21处吊耳约束x、y、z方向的线位移，Fr 35处吊耳约束y、z方向的线位移，左舷y=12 330 mm处吊耳约束x、z方向的线位移。

图2 吊耳结构形式

图3 吊耳有限元模型图

1.3.3施加载荷

上层建筑总段主要承受自重，计算总段在吊装前的惯性载荷取z方向az=g=9.81 kg·m/s2，其余方向为0,g为重力加速度。在船舶上层建筑总段吊装过程中考虑到冲击载荷的影响，采用载荷系数1.1，计算总段吊装时的惯性载荷取az=1.1g=10.791 kg·m/s2，其余方向为0。

1.3.4判定准则

应力标准：上层建筑总段材料为Q235，根据相关规范，以结构应力小于屈服应力235 MPa为依据。

变形标准：对于吊装过程中结构的变形情况，以不使得结构发生塑性变形同时相邻结构不发生变形接触为依据。

2 上层建筑吊装强度有限元分析

利用MSC.Nastran软件分析上层建筑总段的吊装结构响应，结构应力及变形云图分别如图4和图5所示，总段吊装引起的最大应力及变形分别见表2和表3。通过计算表明：上层建筑总段在吊装过程中的最大应力为79.2 MPa，出现在桥楼甲板y=12 330 mm纵舱壁上，在Fr 23与甲板面相交位置，远小于材料屈服应力235 MPa，安全系数为2.97，结构强度满足吊装要求。另外，上层建筑总段在吊装过程中的最大变形为32.1 mm，出现在A甲板y=-6 497 mm纵舱壁上，位于Fr 18底端位置，其余结构变形在5.0 mm以内。

图4 上层建筑总段吊装前结构应力及变形云图

图5 上层建筑总段吊装时结构应力及变形云图

表2上层建筑总段整体吊装应力结果汇总MPa

结构应力吊装前结构应力/MPa应力最大值位置吊装时结构应力/MPa应力最大值位置罗经甲板结构22.5Fr30、y=-2032mm处纵桁底端位置36.5y=-6752mm纵舱壁上,在Fr35开孔角隅位置桥楼甲板结构22.5Fr30、y=2300mm处纵桁底端位置79.2y=12330mm纵舱壁上,与Fr23、甲板面相交位置C层甲板结构24.0y=-6172mm纵舱壁上,在Fr27+240mm处底端位置45.7Fr21横舱壁上,在y=-7552mm开孔角隅位置B层甲板结构15.9y=-6172mm纵舱壁上,在Fr23处底端位置31.9Fr21横舱壁与y=-12330mm纵舱壁相交处底端位置A层甲板结构20.5y=-4352mm纵舱壁与Fr21桁材相交位置62.5Fr21、y=-12330mm处桁材底端位置

3 结语

本文利用MSC.Patran软件建立了64 000载重吨散货船上层建筑总段有限元模型，并通过MSC.Nastran软件进行吊装结构响应分析，主要得出以下结论：

(1)吊装前，64 000载重吨散货船上层建筑总段在重力作用下，整体应力水平较低，能够满足强度要求。

(2)上层建筑总段吊装时，总段最大应力为79.2 MPa，结构应力小于材料屈服应力235 MPa，结构强度均能满足要求。

(3)上层建筑总段由吊装引起的变形为32.10 mm，出现在A甲板y=-6 497 mm纵舱壁上，位于Fr18底端位置。吊装时可使用工字钢连接A甲板y=-6 497 mm纵舱壁底端与y=-4 352 mm纵舱壁底端，进行临时加强，从而控制吊装引起的变形。上层建筑总段由吊装引起的变形均为弹性变形，且相邻结构间无接触，满足吊装要求。

表3 上层建筑总段整体吊装变形结果汇总

(4)船厂在64 000载重吨散货船上层建筑总段实际吊装过程中，采取本文建议的临时加强措施，使得上建总段吊装过程顺利进行，证明本文吊装方案安全可行。