基于有限元分析的船舶整体吊装对轴系的影响研究

王公利　阳志为

摘要：船舶下水是船舶建造过程中的一个关键节点，对于船舶建造而言，确保下水节点，将为最终的船舶交付节点提供一个有力保障。在下水方式的选择上，不同船厂根据不同的资源配置、船舶类型、成本等因素会选择不同工艺方案。本文就某型交通船的吊装下水方案进行了理论计算，特别针对轴系部分进行了受力分析，并进行了实际应用，结合船厂的实际资源配置，最终完成船舶的顺利下水，保障了节点及整个船舶推进系统的有效性。

关键词：船舶;吊装下水;有限元分析

0  引言

船舶的下水节点为船舶建造的关键节点，选择何种下水方式需要结合船厂的现有资源，在保证安全的情况，选择施工成本低的下水方式。面对目前国内外严峻的造船形势，成本控制至关重要[1，2]。在承建国内某船东建造的双机双桨轴系推进的油田交通船项目过程中，结合公司的船坞资源，确定采用船舶整体吊装下水方案。鉴于整体吊重过程中，船舶将会出现不同程度的变形，进而有可能导致轴系变形，从而影响船舶整体性能。为了避免类似风险的存在，在整体吊装之前，通过对船舶整体结构及艉轴管的有限元分析，进而获得船舶整体及轴系受力情况，确保在吊装过程中，船舶变形可控且不会对轴系造成影响。

1  船舶简介及船型分析

该型船舶为一艘设计为双机双桨，中速柴油机驱动的国际航行的，用于油田员工倒班用和装载少量物品（物品装载量不超过36t）的交通运输船。本船设计为带球鼻艏的倾斜艏柱和艏楼，方尾，配襟翼舵和导管可调螺旋桨，考虑人员舒适性，配备一对减摇鳍。主要参数详见表1，船舶推进系统由主机、螺旋桨轴、中间轴、液压联轴节、艉轴管、中间轴承、可调螺旋桨等组成。轴通过法兰式联轴器与主机曲轴法兰互相连接，液压式连轴节能在不拆开法兰连接的情况下脱开艉轴，轴的材质为锻钢制，同时配一套滑环式轴系接地装置，以连接至船体并配有监测系统。艉轴管安装两道轴承—前轴承和后轴承。前、后轴承为合成塑料材料，水润滑冷却。螺旋桨轴可以向船外抽出。因此在船舶整体吊装过程中，由于船体结构变形和受力情况的改变，会对轴系及其辅助系统产生较大影响。因此在吊装过程中需要对整套船舶推进系统进行合理的受力分析，特别是艉轴与前、后轴承，前、后轴承与艉轴管之间的相关受力情况进行重点分析。

对于整体吊装方案，基于安全因素，拟采用1600t浮吊整体吊裝下水，同时对于对全船重量及重心位置进行计算，合理分布吊装眼板及相应的加强结构。在基于上述方案的基础上，通过建模对整体吊装方案进行合理的有限元计算。

吊装方案：①确定吊装重心：根据船体、舾装、管系和轮机（主要设备）重量总计为715T，加放焊材重量、脚手架及辅助电气设备等重量，预估吊装重量为800T，同时根据全船结构分布和设备布置图，估算船体、舾装和轮机重心位于X=FR39+111的位置。②确定吊耳位置：根据船舶重心位置，采用对称吊耳布置的方式，左右舷均布共计16个吊装重型吊耳。③钢丝绳选用：吊装过程中各段受力不同，其选用的钢丝绳不同，本方案分别选用直径为90mm、130mm、156mm的钢丝绳环。④在吊装作业前，检查相关人员的职业技能证书，所有相关操作人员应持证上岗，并按照上述工艺方案的要求执行、同时对所有参与吊装作业人员进行技术交底工作，其中对于吊装工艺方法、设备、构件的规格、质量及摆放位置、安装位置进行确定。⑤吊装作业过程中需缓慢起吊、当起重机具受力时要对受力机具进行检查、以防钢丝绳与船体结构及吊索具之间出现相互干涉的情况。⑥检查确认无误后开始正式起吊，在起吊过程中需要严格按章操作，由一人统一进行指挥。当船舶脱离胎架3-5cm处，停止起升，对于轴系及吊装吊耳处其相关区域进行密切监控。观察是否出现肉眼可见变形，如有则需对局部进行加强处理。如没有，静置5-10分钟后，则可以继续进行起吊，直至吊装到位。

2  有限元计算

2.1 载荷

2.1.1 结构自重

该型油田平台交通船预估吊装重量约800t，其中结构自重约520t其余重量为机械设备和电气设备、管路及脚手架等钢材。在有限元程序中，结构单元的自重以及一些分布较均匀的设备载荷以线密度和面密度的形式表示（考虑到每个分段重量相差较大，采用密度表示时应根据每个分段情况调整），上建分段由于结构重量较小，本计算采用均布力的形式施加在艏楼甲板相应范围内。对于一些重量较大且集中的设备如主机和舵设备等，采用集中力的形式施加在相应位置节点上。

2.1.2 外力

整个模型受到外力重力加速度g的作用。

2.1.3 约束

整个船的模型受到吊耳与浮吊吊钩相连，并通过固定船宽度方向船尾两侧，确保船体不受侧向力的作用。

2.2 许用应力

计算许用相当应力为188N/mm，许用剪应力为112N/mm。

2.3 计算模型

考虑的全船结构左右基本对称，建模时采用半宽模型，模型垂向范围为船体艏楼甲板至船底板，模型纵向为船体总长。船体板材和型材等构件模型处理方法如下[3～4]：

甲板板、外板板、内底板、舱壁板等板材采用4节点板壳单元模拟，在过渡区域采用少量三角形单元;甲板、内底板、船底外板、舷侧外板、舱壁等板材上的纵骨、扶强材等采用梁单元模拟，并考虑偏心的影响;纵桁、强横梁等主要构件的面板和加强筋采用杆单元模拟;舱壁上的水平桁材等高腹板采用4节点板单元模拟。

2.3.1 网格划分

沿船体横向按纵骨间距划分，纵向每档肋距划分1个单元格;舷侧外板、甲板板垂向按纵骨间距划分，纵向每档肋距划分1个单元格;安装吊耳的位置单元格采用细网格划分。

2.3.2 材料参数

钢材：弹性模量E=2.06e5MPa;Poisson比v=0.3;重量密度p=7.85e-9t/mm3。

2.3.3 有限元模型建立

基于上述网格划分对主船体分段建立了有限元分析模型（图1）。其中艏楼甲板采用均布载荷;主机、舵、浆采用集中应力分布。

2.4 计算结果（图2、图3）

3  理论计算结果分析

由上述有限元计算结果分析可以发现，船舶艉轴处的受力情况，其最大变形量主要出现艉管与美人架焊接处，最大变形量为1.5mm（图2），根据船舶建造规范及轴系相关安装要求，其变形量在允许范围内，因此对于该吊装方案不会对船舶轴系的整体性能造成影响。同时可以发现船体最大变形量则出现在艏楼甲板处，其变形量为8mm，吊装处局部变形应力为62N/mm，剪切力为33N/mm，其变形应力和剪切力符合也符合相关规范要求。根据整体受力情况可以发现吊装耳板和艏楼位置的受力及变形较大，为了确保安全，同时尽可能的避免船舶整体吊装对于船舶造成变形，以减少后期火工校正的工作量，针对分析结果，对整体吊装方案进行优化：①考虑到吊装耳板位置为受力区域，因此在安装吊环处甲板下对位进行局部加强，加强板应与相邻纵向构件焊接，加强板厚度20mm，并在吊耳位置甲板下采用无缝钢管与船底相连，通过该方式将应力进行传递，以減少局部受力情况。②上建艏楼甲板处增加临时支撑，控制上建区域的横向变形，从而进一步缩小上建区域的变形。控制其变形量在3-5mm范围内。

4  结语

通过上述优化方案，可以发现该整体吊装方案符合船舶建造标准，变形量控制在可接受范围内，船舶实际变形量与有限元分析结果基本保持一致，特别是轴系安装部分，并未出现结构变形超差的情况，同时在后续的轴系顶升试验及试航过程中，船舶轴系经受住了考验，航速及轴承温度均满足制造厂的设计要求。因此在资源和方案有限的情况下，可以通过整体吊装的方式来确保船舶建造进度，同时也充分验证了该整体吊装方案对轴系的影响是非常微小的。

通过该系列船的顺利完成了试航和交船工作。可以充分证明，在充分分析船舶实际吊装重心的基础上，在确定具体的吊耳和加强结构布置之后，可以通过合理建模，通过有限元分析方式获得船舶的各区域的实际受力方式，从而验证吊耳布置和加强结构的合理性，同时也可以大大降低，整体吊装给船舶造成的变形影响。今后可以将此项低成本、低消耗、高效率、高可靠性的技术在中小型船舶下水工程中进行广泛应用。面对日益严重的市场竞争环境，通过改革创新、降本增效，将大大增强企业的竞争力。

参考文献：

[1]王金虎，刘俊贤.小型船舶整体吊装下水工艺[J].科技资讯，2016，28：064-069.

[2]余祖文.船舶下水前完工程度的确定和下水方式的选用[J].造船技术，1991：08-025.

[3]唐永刚.半潜式钻井平台总段吊装强度数值计算[J].中国造船，2011，4：186-191.

[4]姚震球，唐文献，马宝，马义猛.海上风电安装船关键部位结构强度研究[J].中国造船，2012，2：079-087.