步林鑫, 舒 雅, 冀溫凱, 孟 鵬

(1.江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 上海 201913； 2.上海江南長興重工有限責(zé)任公司， 上海 201913)

0 引 言

橫隔艙作為集裝箱船的重要結(jié)構(gòu)，其安裝精度、結(jié)構(gòu)完整度不僅影響集裝箱船艙容，也較大程度地影響著船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。集裝箱船船體結(jié)構(gòu)特殊，有較多大開口結(jié)構(gòu)，在航行過程中很容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。因此，在建造過程中保證其安裝精度、結(jié)構(gòu)完整度極為重要。

21 000 TEU集裝箱船作為全球最大的集裝箱船之一，其內(nèi)部有多道橫隔艙。江南造船廠吊裝橫隔艙采用總段吊裝的方式[1]。在吊裝過程中，由于其特殊的結(jié)構(gòu)、超大的尺寸，整體結(jié)構(gòu)類似超大片體，在局部區(qū)域極易產(chǎn)生較大的變形和應(yīng)力[2]。這對橫隔艙的吊運(yùn)安全性和安裝定位都會(huì)造成不利影響，因此對橫隔艙吊裝過程進(jìn)行力學(xué)模擬分析十分必要。

選取21 000 TEU集裝箱船典型水密橫隔艙和典型非水密橫隔艙作為對象進(jìn)行有限元數(shù)值仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果給出橫隔艙在起吊后不同狀態(tài)的變形特征、最大變形值及相應(yīng)部位，同時(shí)還給出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀態(tài)、最大應(yīng)力值及相應(yīng)部位。上述計(jì)算分析為滿足橫隔艙吊運(yùn)的安全性和可靠性提供必要的技術(shù)依據(jù)。分析計(jì)算結(jié)果，針對變形或應(yīng)力較大處，在原有方案基礎(chǔ)上提出改進(jìn)意見并對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行再次分析，得出最佳方案。

1 橫隔艙原始吊裝方案

1.1 橫隔艙有限元模型

21 000 TEU集裝箱船典型橫隔艙分為水密和非水密橫隔艙，主要由橫艙壁、多層平臺(tái)、垂直桁、骨材及預(yù)裝的導(dǎo)軌組成。模型圖如圖1所示。圖2為水密橫隔艙內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)示例，非水密橫隔艙與水密橫隔艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似，與水密橫隔艙相比，缺少橫艙壁。

圖1 典型水密及非水密橫隔艙有限元模型

圖2 典型水密橫隔艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)有限元模型

1.2 邊界條件

以21 000 TEU集裝箱船典型橫隔艙為計(jì)算對象，整體材料為AH 32型鋼。水密橫隔艙起吊重達(dá)650 t，非水密橫隔艙起吊重達(dá)403 t，在計(jì)算中采用1.2倍重力加速度作為起吊加速度。鋼絲繩直徑為65 mm、長度為40 m。兩種典型橫隔艙主尺度一致，船寬方向?yàn)?1.6 m、高度為32.84 m、船長方向長度為1.95 m，結(jié)構(gòu)為超大型片體結(jié)構(gòu)。

橫隔艙吊裝方式為水平起吊，達(dá)到一定高度后，橫隔艙下口穩(wěn)定，上口升高，橫艙壁垂直狀態(tài)后，下口吊馬脫鉤，橫隔艙順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，吊裝上船臺(tái)。以水密及非水密橫隔艙為例，兩種典型橫隔艙吊馬布置方案一致，上口吊馬為8組共16只，下口吊馬為4組共8只。橫隔艙需要旋轉(zhuǎn)，由于吊排限制，上口吊馬位置不能調(diào)整。吊馬布置如圖3所示。

圖3 典型橫隔艙吊馬布置圖

整個(gè)結(jié)構(gòu)在吊裝過程中通過吊索與吊鉤(即上吊點(diǎn))相連，吊馬采用MPC(RBE2)單元模擬[3]，采用穩(wěn)定桿系矩陣模擬吊排，最下方節(jié)點(diǎn)約束x、y、z等3個(gè)方向自由度，其他節(jié)點(diǎn)均約束x自由度，具體約束如圖4所示。

圖4 橫隔艙吊裝示例及穩(wěn)定桿系

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

1.3.1 典型水密橫隔艙

對水密橫隔艙取3個(gè)典型角度作靜力分析，角度分別為0°、45°及90°，其中，當(dāng)橫隔艙豎直即與水平面呈90°時(shí)，橫隔艙下口吊馬脫鉤，僅由上口8組吊馬起吊。計(jì)算結(jié)果需為現(xiàn)場制訂吊裝方案提供參考和依據(jù)，因此需考慮鋼絲繩變形，在統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)變形時(shí)，需減去鋼絲繩變形[4]，計(jì)算結(jié)果云圖如圖5～圖7所示。

圖5 典型水密橫隔艙0°平吊整體變形及應(yīng)力云圖

圖6 典型水密橫隔艙45°斜吊整體變形及應(yīng)力云圖

圖7 典型水密橫隔艙90°直吊整體變形及應(yīng)力云圖

根據(jù)國內(nèi)外實(shí)際吊裝經(jīng)驗(yàn)，在吊裝過程中結(jié)構(gòu)最大變形應(yīng)小于結(jié)構(gòu)最大尺度的1/800[5]，即在吊裝過程中結(jié)構(gòu)變形應(yīng)小于64.5 mm。計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 典型水密橫隔艙原始吊裝方案結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：典型水密橫隔艙在吊裝過程中，其最大結(jié)構(gòu)變形及最大應(yīng)力出現(xiàn)在0°平吊狀態(tài)下，最大結(jié)構(gòu)變形及最大應(yīng)力均超出許用范圍，結(jié)構(gòu)不安全。結(jié)構(gòu)最大變形出現(xiàn)位置為橫隔艙下口兩側(cè)自由端。由于現(xiàn)場吊排規(guī)格限制，橫隔艙下口吊馬間距過小，兩側(cè)出現(xiàn)較大自由端，結(jié)構(gòu)剛度不夠，變形量較大。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在距下口吊馬最近的平臺(tái)上，此處為垂直桁與平臺(tái)的交匯處，橫隔艙下口兩側(cè)自由端及橫隔艙中部的垂蕩都對該處形成了拉伸，產(chǎn)生較大應(yīng)力。

隨著吊裝角度的增大，結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力都在逐步緩解，當(dāng)橫隔艙與水平面呈90°垂直時(shí)，其下口吊馬脫鉤，以便于橫隔艙旋轉(zhuǎn)，由于橫隔艙上口結(jié)構(gòu)足夠強(qiáng)，此時(shí)其變形及應(yīng)力仍滿足強(qiáng)度需求。

1.3.2 典型非水密橫隔艙

典型非水密橫隔艙吊裝方案與水密橫隔艙一致，仍取3個(gè)典型角度，計(jì)算云圖如圖8～圖10所示。

圖8 典型非水密橫隔艙0°平吊整體變形及應(yīng)力云圖

圖9 典型非水密橫隔艙45°斜吊整體變形及應(yīng)力云圖

圖10 典型非水密橫隔艙90°直吊整體變形及應(yīng)力云圖

計(jì)算結(jié)構(gòu)匯總?cè)绫?所示。

表2 典型非水密橫隔艙原始吊裝方案結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：其在吊裝過程中的變形趨勢與水密橫隔艙一致。由于起吊重量小于水密橫隔艙，其最大變形及應(yīng)力都減小較多。由于非水密橫隔艙整體質(zhì)量減小，且主結(jié)構(gòu)與水密橫隔艙相似，強(qiáng)度有保證，在整個(gè)吊裝過程中，非水密橫隔艙的結(jié)構(gòu)應(yīng)力始終小于材料許用應(yīng)力。同樣，由于自由端過大，最大變形出現(xiàn)在0°平吊狀態(tài)，出現(xiàn)位置仍為結(jié)構(gòu)下口外側(cè)，最大變形值大于許用值。

2 橫隔艙吊裝優(yōu)化方案

2.1 方案簡介

上述變形的主要原因?yàn)榈跖乓?guī)格限制導(dǎo)致吊馬與橫隔艙下口外側(cè)距離過大，自由端過大，出現(xiàn)較大變形。針對此種情況，為減小施工量，在不改變原有吊馬位置的前提下，現(xiàn)場部門協(xié)商更換吊排，并在橫隔艙下口兩端靠外兩側(cè)各增加1個(gè)吊馬，減小自由端，以緩解橫隔艙變形。圖11為橫隔艙吊裝示例。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 典型水密橫隔艙

對優(yōu)化方案的計(jì)算同樣選取3個(gè)典型角度進(jìn)行，結(jié)果云圖如圖12～圖14所示。

圖11 橫隔艙吊裝示例

圖12 優(yōu)化后典型水密橫隔艙0°平吊整體變形及應(yīng)力云圖

圖13 優(yōu)化后典型水密橫隔艙45°斜吊整體變形及應(yīng)力云圖

圖14 優(yōu)化后典型水密橫隔艙90°直吊整體變形及應(yīng)力云圖

計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表3 優(yōu)化后典型水密橫隔艙吊裝優(yōu)化方案結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：優(yōu)化吊裝方案后，橫隔艙下口變形得到較大緩解。由于下口自由端的減小，結(jié)構(gòu)最大變形位置不再出現(xiàn)在下口，而是出現(xiàn)在上口，這是由于在優(yōu)化后的吊裝方案下，上口由于吊碼限制，兩側(cè)出現(xiàn)了較大自由端。由于結(jié)構(gòu)上口水密橫隔艙較強(qiáng)，其最大變形值小于許用值，結(jié)構(gòu)安全。

2.2.2 典型非水密橫隔艙

典型非水密橫隔艙吊裝優(yōu)化方案與水密橫隔艙相同，同樣在下口外側(cè)增加1組吊馬。結(jié)果云圖如圖15～圖17所示。

圖15 優(yōu)化后典型非水密橫隔艙0°平吊整體變形及應(yīng)力云圖

圖16 優(yōu)化后典型非水密橫隔艙45°斜吊整體變形及應(yīng)力云圖

圖17 優(yōu)化后典型非水密橫隔艙90°斜吊整體變形及應(yīng)力云圖

計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表4 優(yōu)化后典型非水密橫隔艙吊裝優(yōu)化方案結(jié)果

由于非水密橫隔艙總重比水密橫隔艙減小約250 t，而其強(qiáng)框架等與水密橫隔艙類似，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不弱[6]，其在吊裝過程中應(yīng)力值始終滿足材料許用值。在優(yōu)化方案中，非水密橫隔艙結(jié)構(gòu)變形得到控制，其變形趨勢與水密橫隔艙一致，最大變形由下口轉(zhuǎn)移至上口，模擬計(jì)算結(jié)果良好。水密橫隔艙和非水密橫隔艙優(yōu)化方案的現(xiàn)場吊裝情況如圖18和圖19所示。橫隔艙起吊瞬間以及完全起吊后，橫隔艙下口外側(cè)及上口外側(cè)沒有發(fā)生明顯變形。在橫隔艙吊裝過程中無法測量結(jié)構(gòu)變形，吊裝完成后，由精度部門測量，結(jié)構(gòu)變形情況良好。

圖18 橫隔艙吊碼布置

圖19 典型非水密橫隔艙吊裝現(xiàn)場

3 結(jié) 語

(1) 對21 000 TEU集裝箱船典型水密和非水密橫隔艙起吊過程進(jìn)行模擬計(jì)算。在配合搭載部門制訂的原始吊裝方案下，兩類典型橫隔艙在模擬計(jì)算中發(fā)生了較大變形，超過了該結(jié)構(gòu)的變形許用值，結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)塑性變形，完成吊裝后，變形不會(huì)回彈，這將影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安裝精度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在現(xiàn)場施工時(shí)不得不開刀修復(fù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增加工作量，影響整船的施工進(jìn)度。

(2) 在吊裝過程中兩類典型橫隔艙最大變形位置相同，為結(jié)構(gòu)下口兩側(cè)。針對該情況對吊裝方案進(jìn)行優(yōu)化，在原有吊碼布置情況下，模擬更換吊排，在外側(cè)增加1組吊碼。計(jì)算結(jié)果表明：在新方案下，橫隔艙變形情況良好，滿足結(jié)構(gòu)變形控制要求。搭載部門根據(jù)新方案，現(xiàn)場實(shí)地進(jìn)行吊裝，吊裝后結(jié)構(gòu)變形情況良好。

(3) 21 000 TEU集裝箱船橫隔艙為超大片體結(jié)構(gòu)，在吊裝過程中變形控制有一定難度，優(yōu)化后的吊裝方案對今后類似結(jié)構(gòu)的吊裝有一定的參考價(jià)值。