【正文】 .. 25 工況一：分析上層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形 ......................................................... 25 工況二：分析吊排結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平 ...................................................................... 25 上層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形 ....................................................................................... 26 吊排結(jié)構(gòu)應(yīng)力 ........................................................................................................... 36 吊裝方案強(qiáng)度分析結(jié)論及優(yōu)化建議 ....................................................................... 38 第五章 船舶上層建筑整體吊裝的工藝的未來及展望 .......................40 結(jié) 語 ...........................................................................................................41 致 謝 ...........................................................................................................42 附 錄 ...........................................................................................................43 參考資料 .......................................................................................................................... 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。根據(jù)需要，可有不同的長度和層數(shù)，在大型客船上最為龐大。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]。中甲板室如果長度很大，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，但若長首樓向船中延伸較長時(shí)，也承受一定的總縱彎曲應(yīng)力。短橋樓及長度不延伸至船中 區(qū)域以內(nèi)的首樓和尾樓視為輕型上層建筑。目前，在貨船中采取橋樓形式的上層建筑已很少見。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。 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]。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，我國多采用有限元分析軟件對上層建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行 有限元 分析。上層建筑整體吊裝工藝，盡管在國內(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。根據(jù)研究對象的不同，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， 并通過對 輸出的 結(jié)果 進(jìn)行 分析與研究，對該 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 。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，對每一單元假定一個(gè)合適的 (較簡單的）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。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）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。 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。對實(shí)際的連續(xù)體經(jīng)過離散化后就建立了有限元分析模型，這一過程是有限元的前處理過程。有限元分析過程主要包括單元分析、整體分析、載荷移置、引入 約束、求解約束等過程。有限元位移法計(jì)算過程的系統(tǒng)性、規(guī)律性較強(qiáng)，特別適宜于編程求解?，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。這樣，內(nèi)部和邊界上的單元都能夠采用相 同的場變量模型，而且當(dāng)邊界條件改變時(shí)，內(nèi)部場變量模型不需要改變。 （ 6） 有限元法適用于線性或者非線性場合 。 （ 2） 對無限區(qū)域問題，有限元法較難處理。 與全球數(shù)百個(gè)行業(yè)的數(shù)千家企業(yè)一道，利用信息技術(shù)、軟件、 服務(wù)和系統(tǒng)，增強(qiáng)他們的產(chǎn)品開發(fā)能力、優(yōu)化其產(chǎn)品開發(fā)流程，以期更快地開發(fā)出更好的產(chǎn)品。在航空業(yè) 軟件被美國聯(lián)邦航空管理局 (FAA)認(rèn)證為領(lǐng)取飛行器適航證指定的唯一驗(yàn)證軟件。它 誕生于 20 世紀(jì) 80 年代初期，是在 美國國家宇航局 (NASA)的資助下，產(chǎn)生的新一代并行框架式有限元前后處理及分析仿真系統(tǒng)，其開放式、多功能的體系結(jié)構(gòu)可將工程設(shè)計(jì)、工程分析、結(jié)果評估、用戶化設(shè)計(jì)和交互圖形界面集于一身，構(gòu)成一個(gè)完整的 CAE 集成環(huán)境。 作為一個(gè)優(yōu)秀的前后處理器，它具有高度的集成能力和良好的適用性。 MS 被人們?nèi)绱送瞥缍鴱V泛應(yīng)用使其輸入輸出格式及計(jì)算結(jié)果成為當(dāng)今 CAE 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ,幾乎所有的 CAD/CAM 系統(tǒng)都競相開發(fā)了其與 TRAN 的直接接口 , TRAN 的計(jì)算結(jié)果通常被視為評估其它有限元分析軟件精度的參照標(biāo)準(zhǔn) ,同時(shí)也是處理大型工程項(xiàng)目和國際招標(biāo)的首選有限元分析工具。此外 , MSC .NASTRAN 的全開放式系統(tǒng)還為用戶提供了其它同類程序所無法比擬開發(fā)工具 DMAP 語言。此外， Nastran 還為用戶提供了強(qiáng)大的開發(fā)工具 DMAP 語言。 9 第 三 章 上層建筑基本資料及 吊裝方案 上層建筑 基本資料 本課題研究的 176000t 散貨船上層建筑 如圖 31~圖 32 所示 共 有七層。 各層甲板 均 采用 縱 骨架式，在右舷靠船中設(shè)有樓梯通道；肋距 800mm，縱骨間距 810mm；上層建筑結(jié)構(gòu)全部采用普通碳素 鋼。對上建底部開口需加撐桿來抵抗水平力，對形狀不對稱的上建根據(jù)具體情況也可能要加撐桿來抵抗水平力； （ 6）吊耳設(shè)計(jì)。吊環(huán)結(jié)構(gòu) 如 圖35 所示 圖 35 吊環(huán)正 視圖和側(cè)視圖 江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院 13 表 31 A形吊環(huán)尺寸 設(shè)計(jì)載 荷 t a b c d e f t1 t2 t3 R1 R2 R3 k1 k2 k3 重量 kg 要 求 10 270 80 50 140 100 14 10 100 30 7 不安裝腹板 15 310 122 27 145 145 10 120 85 35 6 單面安裝 20 360 60 16 12 12 125 90 45 13 雙面安裝腹板 25 400 18 130 95 14 7 10 30 440 140 35 75 165 165 20 13 14 145 110 40 510 22 16 165 130 11.5 50 560 150 90 175 175 26 18 185 150 13 注：單位 mm 14 江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院 因?yàn)榈跖乓话阍O(shè)置于外圍壁上，故其縱向受力可連續(xù)有效地傳遞，但其橫向區(qū)域難以有較強(qiáng)的橫向構(gòu)件， 故一般應(yīng)特別設(shè)以 T型強(qiáng)橫梁貫穿于整個(gè)上 層 建 筑 寬度方向，或利用橫向艙壁達(dá)到力的貫穿傳遞。 在利用 MSC/Patran 軟件對該 散貨 船上層建筑進(jìn)行 上層建筑結(jié)構(gòu)建模時(shí)， 參考中國船級社《船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南》 [7]有限元網(wǎng)格尺寸沿船長方向每肋位劃分兩個(gè) 2 個(gè)，船寬方向每縱骨間距劃分 2 個(gè)，根據(jù)尺寸大小，船深方向劃分 7 個(gè)，其中， 為了很好的對吊排部分進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析， 吊排部分要單獨(dú)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，吊排的下緣每肋位劃分 2 個(gè)，上緣每肋位劃分 8 個(gè)，高度方向劃分 10 個(gè) ，圓孔的地方劃分 28 個(gè) 。整個(gè)上層建筑結(jié)構(gòu)有限元模型，共有節(jié)點(diǎn) 58392（ Nodes）個(gè)，單元 50818(Elements)個(gè)。接下來定義板厚，添加骨材。因此， 可 以 根據(jù)研究對象的不同，將計(jì)算工況分為 以下 兩 種： （ 1） 分析上層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形； （ 2） 分析吊排結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平。 圖 419 吊 環(huán) （ 2） 邊界條件 上層建筑結(jié)構(gòu) A. Deck 所有 圍壁下緣約束 x、 y、 z 三方向的位移。圖 438 為 NAV. Deck 上的吊排結(jié)構(gòu)詳細(xì)應(yīng)力云圖 、 圖 439為 D. Deck 上的吊排結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖、 圖 440 為 D. Deck 上的吊排結(jié)構(gòu)的詳細(xì)應(yīng)力云圖。 吊排結(jié)構(gòu)所承受的最大應(yīng)力值為146Mpa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值，比較合理。 2021 年隨著 金融風(fēng)暴的襲擊，船舶行業(yè)受到 了很大的 打 擊， 許多船廠 接不到新的訂單 ， 更有的遭到 退單。改進(jìn)造船工藝水平是提高船舶質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本的主要手段 [8]。 目前， 國內(nèi) 絕大部分船舶公司 多 采用有限元分析軟件對 船舶 上層建筑整體吊裝進(jìn)行 有限元 強(qiáng)度分析，隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，有限元分析軟件的發(fā)展 也很快，這為上層建筑整體吊裝前的強(qiáng)度分析帶來了很大的方便，為船舶上層建筑整體吊裝方案提供理論與實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)支撐。 通過這對這個(gè)課題的分析研究發(fā)現(xiàn) 設(shè)計(jì)一個(gè)合理的吊裝方案是保證船舶上層建筑整體吊裝能夠順利完成的重要組成部分。船舶上層建筑整體吊裝強(qiáng)度有限元分析 [J]。江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院