【正文】 176000 噸散貨船上層建筑整體吊裝方案 ...................................................... 11 第四章 上層建筑吊裝強(qiáng)度有限元計(jì)算 ................................................15 上層建筑有限元模型 ............................................................................................... 15 上層建筑整體吊裝計(jì)算工況 .................................................................................... 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。 上層建筑包括船樓和甲板室。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。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)。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。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。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。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。 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。目前，在貨船中采取橋樓形式的上層建筑已很少見。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。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 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 然對擴(kuò)大作業(yè)面、改善勞動強(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]。 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]。 目前國內(nèi)各大船廠都采用了上層建筑整體吊裝，但對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)。 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。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。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。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。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 。還利用簡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限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。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。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。經(jīng)過短短數(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，有限元方法迅速從結(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。 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。 有限元法分析過程大體分為前處理、分析、后處理三大步驟。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。這一步是有限元分析的關(guān)鍵。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。有限元法包括三類，即有限元位移法、有限元力法、有限元混合法。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。 有限元分析的后處理主要包括對計(jì)算結(jié)果的加工處理、編程組織和圖形表示三個(gè)方面 。現(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。 （ 1） 整個(gè)系統(tǒng)離散為有限個(gè)單元，并將整個(gè)系統(tǒng)的方程轉(zhuǎn)換成一組線性聯(lián)立方程，從而可以用多種方法對其求解。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。 （ 4） 有限元法不需要適用于整個(gè)物體的插值函數(shù)，而只需要對每個(gè)子域或單元采用各自的插值函數(shù)，這就使得其對復(fù)雜形狀的物體也能適用。 （ 6） 有限元法適用于線性或者非線性場合 。 另外，有限元法在應(yīng)用上，也表現(xiàn)出一定的缺點(diǎn) 。 （ 2） 對無限區(qū)域問題，有限元法較難處理。 （ 4） 有限元分析所得結(jié)果并不是計(jì)算機(jī)輔助工程的全部，而且一個(gè)完整的設(shè)計(jì)，不能單獨(dú)使用有限元分析完成，必須結(jié)合其他分析和工程實(shí)踐才能完成整個(gè)工程設(shè)計(jì)。 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。 tware 是行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，為航空航天、汽車、通用機(jī)械、醫(yī)療、生物力學(xué)、鐵道、 運(yùn)輸、消費(fèi)電子等各行各業(yè)的制造企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)提供仿真技術(shù)和相關(guān)服務(wù)。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。在船舶行業(yè) 7 stran 是中國船級社指定的船舶分析驗(yàn)證軟件 ((1997)118 附件 )，國際船級社協(xié)會的 10 個(gè)成員 (世界十大船級社 )中有 8 家采用 Nastran 軟件作為船舶分析的驗(yàn)證軟件，包括：美國船級社 ABS、英國勞氏船級社 LR、日本船級社 NK、挪威船級社 DNV、韓國船級社 KR、法國船級社 BV、德國勞氏船級社 GL、中國船級社 CCS。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。其具有： 鼠標(biāo)驅(qū)動的Motif 標(biāo)準(zhǔn)圖形用戶界面；命令過程自動文件記錄，記錄文件可編輯修改并用于模型參數(shù)化研究；交互的超文本在線幫助系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫不同平臺相互兼容；強(qiáng)大的 PATRAN 命令語言 (PCL)可使用戶開發(fā)自己的分析模塊和完全集成已有的分析程序； CAD 模型直接讀入； Unigraphics 幾何特征讀寫和編輯功能；獨(dú)立的幾何模型的創(chuàng)建和編輯工具；完全集成 MSC 的各種分析求解器及外部；第三方的分析求解器；豐富、高質(zhì)量的 1D, 2D 和 3D 網(wǎng)格劃分器；任意的梁截面庫定義；載荷、邊界條件、材料和單元特性可直接施加在幾何模型上；可視化的與時(shí)間或溫度相關(guān)的載荷和材料特