长江游轮大型分段吊装数值分析及应用

杨敬东，岳新霖，谷 磊，陈茂侨

(1. 重庆交通大学，航运与船舶工程学院，重庆 400074； 2. 重庆市船舶检验中心有限公司，重庆 400074)

0 引 言

为满足长江三峡游旅客对游轮功能提升的需求，长江游轮主尺度日趋大型化，船舶分段尺度及重量也在增大，导致建造过程中出现一些吊装安全事故。近期某长江游轮建造过程中，上层建筑04分段在吊装过程中发生折断，造成分段工期延误、建造成本增加等负面影响。针对出现的安全问题，采用数值模拟计算的方法对事故原因进行仿真分析，并提出解决的办法。

1 事故分段简介

事故分段为上层建筑04分段(图1)。分段吊装上升过程中发生断裂，断裂处位置接近上甲板中心线，多处横梁撕裂(图2)，分段左侧因与地面接触存在舱壁变形，甲板未开裂，但折痕清晰(图3)。

图2 构件损坏情况Fig. 2 Component damage situation

图3 甲板损坏情况Fig. 3 Deck damage situation

对04分段吊装进行模拟分析[1-3]，拟通过模拟数值分析验证现场吊装方案是否可行，在进行数值模拟时应着重检查分段理论中线处各构件情况，除考虑屈服应力外，还应考虑剪应力、变形等情况是否满足安全标准[4-5]。

2 安全标准

数值模拟时应确保分段整体和各构件满足：

1)船体建造材料需采用CCS(中国船级社)认证船用材料，构件材料(不同规格尺寸角钢、钢板)许用屈服强度为290 MPa，取安全系数s=1.5[6-7]，屈服强度应满足：

(1)

式中：[σ]为许用屈服强度。

2)剪切应力τ应满足：

(2)

式中：[τ]为许用剪切应力。

3)分段变形应满足变形率不超过2‰[8]，即1 m范围内结构变形应不超过2 mm。

综上，模拟结果应满足屈服应力不大于193.33 MPa，剪切应力不大于96.67 MPa，变形率不超过2‰的安全标准，且在满足安全标准的情况下，应尽可能减少加强构件重量，并考虑施工难度，满足建造工期和经济性[9]要求。

3 事故分段模拟及吊装方案分析

3.1 模型建立

事故分段为上层建筑04分段(图4)，模型原点位于74# 肋位。04分段第一处强肋骨位于肋位正中底部，以船首为X正向，右舷为Y正向，顶棚甲板方向为Z正向，建立空间坐标。分段长16 m，宽18.6 m，设计重量为45 t，为纵骨架式，肋骨间距0.55 m，纵骨间距0.5 m，设计重心坐标为(6.21,0.02,2.01)，强肋骨与横梁间距2.75 m。

图4 04分段结构Fig. 4 04 section structure

04分段无贯通舱壁，甲板处存在开口。分段中梁、柱和纵骨采用ANSYS BEAM188模型模拟，板采用SHELL181模型模拟，不同尺寸构件赋予不同截面形状。

模拟分段吊装时重力加速度取9.806 m/s2，根据现场情况，将风力、吊装加速度等折算为系数，换算为模型重量[10]。折算后，模拟时最终取重力加速度的1.2倍，即g=9.806×1.2 m/s2=11.76 m/s2。吊耳布置位置由设计资料及相似分段的实际布置位置情况确定。

04分段最终仿真模型如图5，模型设计重量为43.724 t，与实际偏差小于3%，重心位置位于分段距中偏右处，坐标为(6.24,0.02,2.02)，符合舱室布置、构件分布情况，满足模拟计算要求。

图5 仿真模型Fig. 5 Simulation Model

3.2 分段吊装数值模拟及分析

3.2.1 04分段模拟计算及分析

04分段吊装模拟计算后结果如图6。在无加强措施的情况下，该分段的最大位移为425 mm，变形量大于2‰，最大应力为1.94×109Pa(大于193.33 MPa)，超出安全标准。

图6 分段模型初始状态模拟计算Fig. 6 The initial state simulation calculation of the segmented model

04分段吊装仿真计算结果中，应力、应变均超出安全标准，结合图纸分析，这是由于分段结构存在甲板大开口，且上层建筑分段内部结构尺寸偏小，导致04分段在吊装时发生结构撕裂。

经分析并结合经验，对发生事故的04段采用总段吊装与子分段吊装两种方案进行加强模拟。

3.2.2 总段吊装模拟

在原有分段尺寸不变的情况下，只增加支撑材料对现有结构给予加强的方式称为总段吊装。

在仿真模型中对未加强的04分段吊装模拟计算后，发现应力集中发生在04分段的最大横舱壁开口处(图7)。这是由于存在构件围壁交叉现象，造成此处结构应力远大于其余位置。

图7 04分段未加强时应力集中区域(单位：Pa)Fig. 7 Stress concentration area before block 04 unstrengthening

对此处构件采用8 mm厚板(设计板厚为5 mm)进行1次加强，模拟发现，应力结果虽有改善，但最大应力仍不满足安全标准，且最大应力处、应力集中区域均转移至吊耳布置处(图8)，说明只对开口处用钢板封闭加强不能满足安全评定标准，需要进行2次加强。

图8 1次加强后应力集中区域(单位：Pa)Fig. 8 Stress concentration area after once strengthening

图9 2次加强后04分段模拟(单位：Pa)Fig. 9 Simulation diagram of block 04 after twice strengthening

2次加强后，模拟计算得到最大应力为360 MPa，位于桁架与舱室围壁的连接横梁处(图9)，最大应力仍然超过安全标准，需对该处围壁进行3次加强。

3次加强中，在最大应力处横壁上增加一个20#槽钢，与甲板结合共同形成框架以减小应力，3次加强后04分段模拟如图10。

总段吊装模拟经过3次加强后，最大屈服应力为193.13 MPa，最大剪切应力为74.8 MPa，最大位移为31.8 mm，变形率为31.8 mm/16 000 mm=1.987 5‰，变形率小于2‰，满足安全标准，最终受力结果如图11。

图10 3次加强后04分段模拟(单位：Pa)Fig. 10 Simulation diagram of block 04 after third strengthening

图11 总段吊装最终计算结果Fig. 11 Final calculation results of total section hoisting

3.2.3 子分段吊装模拟

通过减小分段尺寸以降低分段重量，使起吊时分段整体负荷降低的方式，称为子分段吊装。

根据甲板拼板、舱室分布等情况，将04分段分为A、B、C、D 4个子分段，如图12。

图12 子分段划分示意Fig. 12 Sub-segmentation diagram

因C分段自重最大，且存在甲板开口，吊装时应力和变形比其余3个分段大，故选择C分段进行模拟计算。C分段长为7.5 m，宽为9.3 m，自重为11.592 t，无加强情况下吊装模拟结果如图13。图中最大应力为221.71 MPa，最大位移为32.36 mm(变形率大于2‰)，不满足安全标准，需要进行加强。

图13 子分段吊装模拟计算Fig. 13 Sub-segmentation hoisting simulation calculation

造成C分段吊装时不满足安全标准的原因为：缺乏贯穿纵壁，且纵桁尺寸不足，形成了如同悬臂梁式的支撑结构；电梯井纵壁上的开口破坏了纵壁的连续，使纵壁底部自由端产生了过大横向位移。

综上，C分段加固方案为：选用L63×40×5角钢作为加强材料，在分段尾部距中4 500～7 900 mm甲板处增加X形斜撑〔图14(a)〕；在横壁距中4 500～7 900 mm底部用角钢连接；电梯井处底部加X形斜撑，距中6 000 mm电梯井壁开门处加X形斜撑〔图14(b)〕。

图14 子分段吊装模拟加强Fig. 14 Sub-segmentation hoisting simulation enhancement

结构加强后子分段吊装模拟的最大屈服应力为136 MPa，最大剪切应力为45.9 MPa，最大位移为16.3 mm，变形率为16.3 mm/9 300 mm= 1.752‰<2‰，如图15，满足安全标准。

图15 子分段吊装最终计算结果Fig. 15 Final calculation results of sub-segmentation hoisting

3.2.4 方案比较

由模拟结果可得：

1)总段吊装。可以节省吊装次数，提高吊装效率，但方案复杂，支撑构件尺寸不统一，会造成安装难度较大。且加强构件过多，不仅增加了建造成本，还增加了吊装过程中的分段自重(增加重量占分段自重约1%)，增加了吊装安全隐患。

2)子分段吊装。虽增加了吊装次数，但各子分段自重小，可以使用小吨位门吊或多辆吊车等方式吊装，方案灵活；同时加强方式简单，易于安装与拆除，对建造成本负担较小。

两方案建造成本对比如表1，表中工时折算为费用金额。

表1 不同方案建造成本对比Table 1 Comparison of construction costs of different schemes

结合建造方施工能力，为保障施工安全，推荐使用子分段吊装进行吊装作业。实际建造过程中也使用了子分段吊装，得到了良好反馈。

综上，内河游轮上层建筑分段由于内部结构尺寸较小，整体刚度偏弱，所以在吊装时不宜采用大尺寸分段整体吊装方案，宜采用较小尺寸分段进行吊装。

4 结 语

针对内河船舶建造工序中吊装方案依赖现场经验，缺少理论数据支撑的问题，提出了总段吊装加固和子分段吊装加固两种不同的吊装实施方案，并根据实际建造数据，利用有限元软件建立大型船舶上层建筑分段模型，利用力学相关理论，确定吊装过程的载荷分布特点和相关安全要求，并对不同方案下的吊装过程进行模拟计算。模拟计算结果表明：总段吊装方案虽然可以节省吊装时间，但对分段结构强度要求高，对建造现场吊装工具要求高，安全隐患较大；子分段吊装方案虽然需要多次吊装，但对现场吊装工具要求较低，吊装方案更为灵活，更能满足现阶段内河船舶建造方需求；建造实例反馈也证实了，采用子分段吊装方案可以更好地消除吊装过程中的安全隐患，对提高施工质量也有着一定的优势。