【正文】 ............ 43 1 第一章 緒 論 研究意義 及背景 船舶上層建筑是指位于上甲板以上，自一舷伸至另一舷或其側(cè)壁自外板內(nèi) 縮不大于 4%船寬的圍蔽建筑物。有時(shí)也泛指包括甲板室在內(nèi)的甲板建筑物。 上層建筑包括船樓和甲板室。 上層建筑可用于布置各種艙室、戰(zhàn)位和各種裝置等，減少甲板上浪，增加船舶儲(chǔ)備浮力，并可保護(hù)機(jī)艙開口免受波浪侵襲。根據(jù)需要，可有不同的長(zhǎng)度和層數(shù)，在大型客船上最為龐大。主船體加上上層建筑構(gòu)成一定高度和斷面變化的船體梁，上層建筑按其所在位置和長(zhǎng)度大小，不同程度地參與船體總縱彎曲，船體在上層建筑端部將產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，在設(shè)計(jì)中應(yīng)引起重視。艦艇上層建筑的形式、層數(shù)和設(shè)置，取決于艦艇的類型、主尺度和使命，并與總體艙室布置、武器 布置、生活居住條件及航海性能密切相關(guān)。在潛艇耐壓船體上方，沿船長(zhǎng)設(shè)置并與非耐壓船體連成一體的結(jié)構(gòu)，也稱上層建筑。根據(jù)上層建筑所在的位置，又可分為艏樓、橋樓和艉樓等 [2]。上層建筑的甲板有各種名稱，如艏樓甲板、艉樓甲板、游步甲板、救生甲板、駕駛甲板、羅經(jīng)甲板等。 上層建筑主要承受如下各種力的作用： （ 1） 波浪沖擊：船舶航行遭遇惡劣的海況時(shí)，上層建筑可能受到波浪的沖擊，特別在首部承受載荷最大；當(dāng)船舶迎著風(fēng)浪行駛時(shí)，在中部上層建筑的所有圍壁中，又以前端壁承受載荷最大。 （ 2） 總縱彎曲：中部較長(zhǎng)的上層建筑，尤其是長(zhǎng)橋樓，因其側(cè) 壁作為舷側(cè)板的延續(xù)部分，將隨著主體一起彎曲，承受很大的總縱彎曲應(yīng)力。中甲板室如果長(zhǎng)度很大，且又支持在主體的三道橫艙壁 或強(qiáng)肋骨框架之上，也會(huì)隨著主體一起彎曲，首樓、尾樓和尾樓甲板室受到總縱彎曲的影響較小，但若長(zhǎng)首樓向船中延伸較長(zhǎng)時(shí)，也承受一定的總縱彎曲應(yīng)力。 船舶主體沿船長(zhǎng)方向是連續(xù)的，而上層建筑是間斷的，船體在上層建筑端部附近，結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，當(dāng)船舶總縱彎曲時(shí)，在船中的上層建筑端部將會(huì)產(chǎn)生 2 嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。如果不采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施，船舶航行時(shí)就有可能使該處的上甲板、舷頂列板和上層建筑側(cè)壁發(fā)生裂縫，這必須引 起充分注意。 根據(jù)船樓參與總縱彎曲的程度不同，通常把長(zhǎng)度大于船長(zhǎng) 15%及本身高度6 倍的長(zhǎng)橋樓視為強(qiáng)力上層建筑。短橋樓及長(zhǎng)度不延伸至船中 區(qū)域以內(nèi)的首樓和尾樓視為輕型上層建筑。在船端部 區(qū)域內(nèi)的橫梁和縱骨的間距應(yīng)不大于 600mm； ~ 首端區(qū)域內(nèi)不大于 700mm。 船樓由側(cè)壁、端壁和甲板板圍成，并由橫向骨架（肋骨、橫梁）及縱向骨架（ 縱桁、縱骨 ） 加以支持，其結(jié)構(gòu)形式與主體上相應(yīng)的板架類似。船樓的側(cè)壁或甲板上設(shè)有大開口時(shí)應(yīng)予以加強(qiáng)。目前，在貨船中采取橋樓形式的上層建筑已很少見。 甲板室設(shè) 于船舶的上甲板或船樓甲板上。甲板室與船樓一樣，根據(jù)它參與總縱彎曲的程度可分為強(qiáng)力和輕型兩類。 上 層建筑整體吊裝是指，需要整體吊裝的上層建筑內(nèi)部金屬預(yù)舾裝、術(shù)作舾裝、電纜及照明設(shè)施等各項(xiàng)工作基本完成的情況下，進(jìn)行的水上吊裝合攏工作。吊裝時(shí)，上層建筑整體工作完成量約占全部工作量的 80％ 左右。上層建筑水上整體吊裝工藝在我國(guó)應(yīng)用的時(shí)間還不長(zhǎng)，在華南地區(qū)造船業(yè)中尚未實(shí)施過(guò) ， 近 年來(lái)，我國(guó)船舶建造設(shè)施、能力、規(guī)模得到 了 大幅 度 的提高 。 要 高要求、 高質(zhì)量、高效率按期完成新船的建造， 就 必須依靠新技術(shù)新工藝，而 上層建筑整體吊裝顯 然對(duì)擴(kuò)大作業(yè)面、改善勞動(dòng)強(qiáng)度、提高 造船 生產(chǎn)率、縮短船舶生產(chǎn)周期、降低造船成本 等 具有十分重要的意義 [1]。然而，隨著船舶的大型化， 提前舾裝 的程度逐步提高， 上層建筑的尺寸、重量越來(lái)越大， 剛度則小 這使得上層建筑整體吊裝變得更加的困難 。 要實(shí)行上層建筑 的 整體吊裝，必須考慮 以 下幾個(gè)方面 的 因素；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度；船廠設(shè)備的吊運(yùn)能力；快速定位裝置；安全可靠性等 [3]。 而 以 下 的 三點(diǎn)對(duì)吊裝 的 順利完成具有很重要的意義 ： （ 1） 設(shè)計(jì)合理的吊裝方案； （ 2） 對(duì)船舶上層建筑進(jìn)行有限元 強(qiáng)度 分析 ,通過(guò)結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值仿真研究分析不同結(jié)構(gòu)部位的 應(yīng)力 與變形，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度校核及是否滿足上層建筑內(nèi)的設(shè)備、儀器、甲板敷料的要求，對(duì)吊裝方案進(jìn)行評(píng)估，分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)的特點(diǎn)用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)、優(yōu)化吊裝方案 ； 根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的特點(diǎn)提出合理有效的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施， 從而 保障 上層建筑 吊裝的順利完成； （ 3） 上層建筑結(jié)構(gòu)吊裝時(shí)的實(shí)際應(yīng)力與變形的測(cè)量，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同程度的簡(jiǎn)化，通過(guò)有限元分析、實(shí)際應(yīng)力與變形的測(cè)量詳細(xì)研究整體吊裝時(shí)的應(yīng)力與變形，對(duì)整體吊裝方案提供理論與實(shí)驗(yàn)數(shù) 3 據(jù)支撐 [4]。 目前國(guó)內(nèi)各大船廠都采用了上層建筑整體吊裝，但對(duì)上層建筑的整體吊裝的系統(tǒng)分析 還不夠， 有待于進(jìn)一步 的 加強(qiáng)。吊裝前的舾裝 程度 會(huì) 直接影響生產(chǎn)效率、建造周期、建造成本等，但舾裝程度的增加 勢(shì)必會(huì)增加上層建筑的重量，同時(shí)也對(duì)上層建筑結(jié)構(gòu)的 強(qiáng)度 要求也 相應(yīng) 提高，因此，在提高舾裝程度的同時(shí)對(duì)上層建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析是至關(guān)重要的。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，我國(guó)多采用有限元分析軟件對(duì)上層建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行 有限元 分析。 同時(shí) 有限元分析軟件的發(fā)展也很快，我國(guó)已引進(jìn)的主要程序有：SAP ADINA ANSYS ABAQUS MSC/NASTRAN ASKA MARC 等。這些程序還具備了前后處理功能，這樣，不僅 解題的速率提高，還極大的方便了使用者。 國(guó)外許多船廠普遍采用上層建筑整體吊裝，國(guó)外上層建筑的吊裝重量 比 國(guó)內(nèi)較大，如諾斯羅普 .格魯曼公司承建的美國(guó)最新最先進(jìn)的核動(dòng)力航母 “喬治 . ”號(hào)（ CVN 77），其 700 噸的島式上層建筑成功完成吊裝。上層建筑整體吊裝工藝，盡管在國(guó)內(nèi)許多船廠已普遍采用，但由于受到船廠起吊能力、搬運(yùn)設(shè)備、場(chǎng)地或吊裝設(shè)計(jì)水平的限制，仍然局限于尺度較小、上層建筑剛度較強(qiáng)的范圍，對(duì)超大尺度、重量較重， 剛性較小的上層建筑整體吊裝還極少采用， 這樣的上層建筑還處與分段吊裝階段，這顯然影響了船舶的 建造周期，造船成本等。 而利用有限元法可以相當(dāng)準(zhǔn)確并迅速地計(jì)算船舶上層建筑結(jié)構(gòu)的某種影響特性 ,解決過(guò)去許多無(wú)法解決的問題。但由于這些計(jì)算機(jī)流程和程序系統(tǒng)是近幾年才發(fā)展起來(lái)的 ,使用經(jīng)驗(yàn)的積累和計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證 尚不成熟，專業(yè)人員也不是很多，想要熟練普遍的運(yùn)用 還需要做許多的工作。 研究 內(nèi)容 本課題 是 以 176000t 散貨船上層建筑 結(jié)構(gòu) 為 研究對(duì)象 ， 對(duì) 該上層建筑的整體吊裝 設(shè)計(jì)合理的吊裝方案， 學(xué)習(xí) MSC/PATRAN 和 MSC/NASTRAN 軟件， 利用該軟件根據(jù)上層建筑的施工圖紙 對(duì)進(jìn)行 上層建筑結(jié)構(gòu) 有限元建模、網(wǎng)格劃分 。根據(jù)研究對(duì)象的不同，分為兩種工況：上層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形；吊排結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形，分別進(jìn)行 加載、約束處理、仿真計(jì)算、強(qiáng)度分析 等， 并通過(guò)對(duì) 輸出的 結(jié)果 進(jìn)行 分析與研究，對(duì)該 散貨 船上層建筑整體吊裝 的吊裝方案、 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特點(diǎn)、 臨時(shí)加強(qiáng)措施等進(jìn) 4 行分析 和 總結(jié)，并進(jìn)一步提出優(yōu)化建議，以保證該上層建筑整體吊裝的順利完成 。 第二章 有限元分析 軟件介紹 有限元 簡(jiǎn)介 利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。還利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元 素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。 有限元分析 是用較簡(jiǎn)單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的 (較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件 (如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡(jiǎn)單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個(gè)直 線單元）逼近圓來(lái)求得圓的周長(zhǎng)，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過(guò)短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。 有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對(duì)小的子域中。 20 世紀(jì) 60 年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算有限元概念的克拉夫（ Clough）教授形象地將其描繪為： “有限元法 =Rayleigh Ritz 法＋分片函數(shù) ”，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一種局部化情況。不同于求解（往往是困難的）滿足整個(gè)定義域邊界條件的允許函數(shù)的 Rayleigh Ritz 法，有限元法將函數(shù)定義在簡(jiǎn)單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個(gè)定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一 [5]。 有限元法分析過(guò)程大體分為前處理、分析、后處理三大步驟。 5 在采用有限元法進(jìn)行連續(xù)體結(jié)構(gòu)分析時(shí)，首先必須 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，形成有限元網(wǎng)絡(luò)，并給出與此網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)的各種信息，如單元信息、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、材料信息、約束信息、載荷信息等，這種工作稱為原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。對(duì)實(shí)際的連續(xù)體經(jīng)過(guò)離散化后就建立了有限元分析模型，這一過(guò)程是有限元的前處理過(guò)程。在這一階段，要構(gòu)造計(jì)算對(duì)象的幾何模型，劃分有限元網(wǎng)格，生成有限元分析的輸入數(shù)據(jù)。這一步是有限元分析的關(guān)鍵。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元數(shù)據(jù)的自動(dòng)生成和圖形處理是當(dāng)今有限元法研究的一個(gè)重要內(nèi)容，它可以極大地提高工作效率和保證計(jì)算數(shù)據(jù)的正確性。有限元分析過(guò)程主要包括單元分析、整體分析、載荷移置、引入 約束、求解約束等過(guò)程。這一過(guò)程是有限元的核心部分，有限元理論主要體現(xiàn)在這一過(guò)程中。有限元法包括三類，即有限元位移法、有限元力法、有限元混合法。在有限元位移法中，選節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量；在有限元力法中，選節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量；在有限元混合法中，選一部分基本未知量為節(jié)點(diǎn)位移，另一部分基本未知量為節(jié)點(diǎn)力。有限元位移法計(jì)算過(guò)程的系統(tǒng)性、規(guī)律性較強(qiáng)，特別適宜于編程求解。一般除板殼問題的有限元法應(yīng)用一定亮的混合法外，其余全部采用有限元位移法。 有限元分析的后處理主要包括對(duì)計(jì)算結(jié)果的加工處理、編程組織和圖形表示三個(gè)方面 。它可以把有限元分析得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)人員直接需要的信息，如應(yīng)力分布狀況、結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)等，并匯成直觀的圖形，從而幫助設(shè)計(jì)人員迅速地評(píng)價(jià)和和校核設(shè)計(jì)方案?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)豐富的圖形處理功能使數(shù)據(jù)整理方式更加高效，為直接輸出各種圖形和表格創(chuàng)造了條件。 有限元法由于其特有的理論和過(guò)程，其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。 （ 1） 整個(gè)系統(tǒng)離散為有