基于TSV-BLS软件客滚船机舱总段整体吊装方案分析

翟高进 卢蓉芝 张 开

（1.无锡市地方海事局 无锡214043； 2.江苏省泰兴中等专业学校 泰兴225400；3.泰州口岸船舶有限公司 泰州225321）

引 言

46车/999客客滚船是泰州口岸船舶有限公司为海南海峡航运股份有限公司建造的客滚船，该型客滚船总长127.5 m、两柱间长122 m、型宽20.6 m、型深6.35 m、设计吃水4.35 m、载车量46辆，载客量999人，入级CCS船级社，航线为海口-海安。为提高造船效率、缩短造船周期，在建造过程中将机舱区域6个分段合并成1个总段后进行吊装，以达到缩短坞期的目的。

船体吊装涉及到结构的质量与重心计算、吊点的位置选取、吊码的型号选择以及船台的起重能力等多方面，是一项非常复杂的造船工艺。因此在机舱总段吊装前，需要对整体吊装方案进行验证，并根据验证结果进行必要的调整和优化，确保吊装工程安全［1］。

目前，船体结构吊装分析的主要方法有经验法、总体分析法及有限元分析法［2-4］。46车/999客客滚船机舱总段的吊装计算采用的是TSV-BLS船舶吊装仿真软件，应用该软件的TRIBON接口及网格划分工具，可快速从TRIBON生产设计软件生成的文件中导入船体结构模型，并实现网格的自动划分。软件可按照预定的吊装方案进行吊点、吊码及吊排等起吊设置，通过软件的三维仿真模块模拟船体结构的实际吊装过程的翻身和平吊动作，自动计算和施加有限元模型的位移和力，从而获得结构的应力和变形值。可以通过TSV-BLS三维影像了解吊装操作过程中分段的位置和姿态，方便检测起吊作业中出现的不良现象，如钢丝绳与结构的干涉、钢丝绳受力过大、吊码受力过大、结构应力过大、结构变形过大等。

1 机舱总段与吊码布置

46车/999客客滚船的机舱总段EB1是由EB01P/S机舱双层底分段、EG11P/S机舱甲板分段，以及AG02P/S尾部分段总组而成。EB1总段长15 900 mm、宽20 600 mm、高6 350 mm，EB1总段的质量和重心数据如表1所示。

表1 机舱总段吊装基本信息表

由于在车辆甲板上Fr32-Fr34左舷附近有甲板大开孔，在设置吊码时就应避开开孔的位置，因此所布置的吊机主吊钩中心与分段的重心不在同一肋位，其偏差值为1.25 m，而副钩的中心关于模型的重心对称。起重机的主吊钩在甲板的左舷Fr27+412 mm处，主钩与8个D40吊码相连接，2个副吊钩分别在右舷Fr23-40 mm和Fr35+160 mm两处。总段尾副钩与4个D40吊码相连接，总段首副钩与4个D40吊码相连接，初步吊码设置方案如图1-图3所示，最终吊码的规格和位置需根据计算结果来定。吊码下方采用高200 mm、厚14 mm的扁铁加强，扁铁与吊码两侧侧板对齐。

图1 EB1总段吊装总布置图

图2 左舷吊码

图3 右舷吊码

2 机舱总段有限元计算模型

2.1 TRIBON模型的导入

首先从TRIBON中导出包含船体结构信息的XML文件，XML文件包含模型几何信息、材料信息等；然后使用TSV-BLS导入TRIBON生成的XML文件，导入时进行相应的策略优化，如：

（1）对有限元计算无需考虑的原生产设计模型中构件的流水孔、透气孔以及型材贯穿孔的去除，如图4所示。

图4 贯穿孔去除前后对比

（2）去除原模型中生产设计的板缝（原理为当A板与B板相交，在A板上有一个板缝接近交线，如果两线距离小于调整值，将板缝线移动到交线的位置），如图5所示。

（3）删除原生产设计模型中重复的构件以及离散的结构。

图5 板缝调整前后对比

2.2 网格划分

根据中国船级社《国内航行海船建造规范》［5］中有限元的规定，本文中有限元模型主要考虑承载结构件，如甲板板、围壁板、横梁、纵骨、纵桁、关键部位的肘板等，对于非关键区域的肘板等小构件未考虑。根据规定，本文中选用网格大小为200 mm×200 mm。

TSV-BLS软件自带网格划分模块（Mesher），可实现三角形网格（Tri 3）以及四边形网格（Quad 4）的划分，借助网格修改模块（Mesh manual）可对网格质量进行优化；

（1）首先TSV-BLS软件进行三角形网格的自动划分，根据输入的网格大小，完成节点的建立、网格的划分、划分完成后软件检测网格的质量，显示出网格不重合的部分，对于不重合的节点网格通过修改模块（Mesh manual）可对网格质量进行优化，网格节点不重合的地方显示紫色，重合的节点显示绿色，如图6-图7所示。

图6 不重合的单元

图7 节点修改前后对比

（2）TSV-BLS软件进行四边形网格的自动划分；软件根据已经划分的三角形网格进行四边形网格的划分，进一步提高网格质量。

（3）TSV-BLS软件将原构件的材料属性、板厚属性复制到有限元模型的单元上完成有限元模型的建立，最终有限元模型如图8所示。

图8 机舱总段有限元模型

3 吊装过程分析

3.1 起吊阶段分析

本项目主要研究机舱总段在吊装过程中，结构受到自重的作用，通过计算结构应力和变形，以及钢丝绳拉力大小，验证其是否满足要求，根据起吊阶段不同，可将整个起吊过程分为两部分：

（1）上升阶段

模型从离开地面开始，上升到指定高度这一过程，软件在模拟总段运动时，对其施加了一个加速度，因此其结构力和变形比重力单独产生的结果较大；

（2）平稳阶段

模型到达一定高度后，固定不动的阶段，这个阶段中模型只受到重力作用。

3.2 钢丝绳和吊码受力分析

在模拟总段运动的过程中，钢丝绳和吊码的拉力随时间变化，其值均可通过软件实时显示，方便了解钢丝绳和吊码的受力。

应用TSV-BLS吊装软件模拟吊装过程，计算在上升和平稳阶段钢丝绳的拉力，主钩钢丝绳定义为L1-L8，尾副钩为L9-L12、首副钩为L13-L16，起吊过程中钢丝绳最大受力数值如表2所示。

表2 钢丝绳和吊码受力值

从表2可知：上升阶段钢丝绳拉力值大于平稳阶段拉力值，上升阶段大小为41.17 t，位置为首副钩L15-L16吊码。

3.3 吊码方案调整

由于首副钩钢丝绳的最大拉力为41.17 t，超过D40吊码的许用值40 t，因此，为确保吊装安全，将首副钩的吊码类型全部由D40更换为D50。

4 吊装结果分析

通过TSV-BLS软件自带的DYNAMIS求解器，计算吊装过程中总段的最大应力和最大变形，从而验证总段的应力和变形是否满足许可要求，对不满足要求的位置进行适当加强并重新计算，直到满意为止。

4.1 变形分析

由于总段自身的重力作用，导致在其吊装过程中吊码和边缘位置发生较大变形。首先，在上升阶段，考虑到上升加速度的影响，其变形值较大，如图9所示。

图9 结构变形（上升阶段）

在平稳阶段，由于只受到重力影响，其变形值较小，如图10所示。

图10 结构变形（平稳阶段）

由图9-图10可知，总段的最大变形出现在甲板面，结构变形的最大值在上升阶段为21.26 mm，而在平稳阶段为18.8 mm，且最大变形均发生在甲板面FR22处。

结合船厂的工程经验，结构在1 000 mm范围内出现1～3 mm的变形，认为整体吊装是安全的，由此规定机舱总段吊装的变形准则为2/1 000。

机舱总段最大变形为21.26 mm，其所在结构的总尺寸为20 600 mm，变形比例为1/1 000 ＜2/1 000。因此，判定结构的变形满足安全吊装要求。

4.2 应力分析

本部分分析EB1总段在吊装阶段的最大应力，验证结构是否满足其强度要求，是否需要加强。

图11 结构最大应力值（上升阶段）

图12 结构最大应力值（上升阶段）

由图11-图12可知：在上升阶段，结构最大应力发生在总段左舷，主吊钩下方FR29甲板横梁上，材料为AH36级钢，最大应力值为157 MPa。由于AH36级钢的屈服应力为355 MPa，安全系数根据规定为1.4～1.7，现取安全系数为1.5，则其最大应力安全许可值为237 MPa，总段最大应力小于最大应力许可值，因此，在上升阶段，结构的应力完全满足要求，不需任何加强措施。

由图13可知：平稳阶段最大应力值为140.2 MPa，其完全满足最大应力安全许可值237 MPa。因此，在结构的平稳阶段，应力完全满足，不需要任何加强措施。

图13 结构最大应力值（平稳阶段）

在平稳阶段，结构最大应力发生的位置与上升阶段一致，但是最大应力比上升阶段有所降低，由于上升阶段存在一定的加速度，所以上升阶段最大应力值比平稳阶段大。

综上所述，EB1总段结构在吊装过程中，因上升和平稳阶段最大应力均在安全应力范围内，不需额外加强措施，满足起吊条件。

5 结 论

根据满足要求的吊装方案，泰州口岸船舶有限公司顺利完成46车/999客客滚船机舱总段的吊装。通过本文计算结果分析得到以下结论：

（1）TSV-BLS吊装软件可从Tribon生产设计中直接导入船体模型，实现从生产设计模型到有限元模型的转换，极大节省了船体建模的工作量，模拟吊装过程，并实现钢丝绳拉力、结构变形和应力的计算，提高了总段吊装分析的效率。

（2）在实际吊装过程中，需要考虑因偏心的影响而使钢丝绳和吊码受力可能存在较大差别，必须根据实际情况，通过相应计算选择合适的吊码。

（3）由于分段起吊过程中存在一定的上升加速度，考虑到吊装的安全性，结构许可应力的安全系数一般取为1.5，结构许可变形比例取为2/1 000，以确保吊装安全。

（4）机舱总段的整体吊装可有效提高搭载效率、缩短坞期，可为其他船型的建造提供借鉴。