汽车运输船大型车库立体总段吊装可行性研究

    柳向阳+黄伟江

    摘 要：汽车运输船的车库结构特点为甲板层数多，结构薄弱，支撑少。建造不利于扩大总段，因此一般采取了片体总段的做法。本文通过有限元手段对起重状态下的大型立体车库总段进行应力和变形量分析，优化吊点和支撑位置，使大型车库立体总段得到实际应用。缩短了汽车运输船建造的船坞周期，为顺利交船创造了条件。

    关键词：大型汽车运输船，大型立体总段，有限元，应力，柔性结构，变形量，吊码

    中图分类号：U674.1 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）06-0042-02

    近年，汽车运输船的订单时有生效，但造价今非昔比，针对结构复杂，建造工作量巨大的汽车运输船，缩建周期，降低建造成本成为船厂必须解决的问题。

    大型汽车运输船车库区片体分段数量多达300多片，传统建造采用坞内井式建造法，即将车库外板片体总段吊装后，逐层吊装甲板片体总段，这种建造方法坞内焊接工作量巨大，船坞周期长。且由于在封闭甲板空间进行大量的焊接，导致施工环境极差，对产品质量和工人健康产生很大影响。若将车库区总组为立体环形总段，能够避免在船坞内焊接各层甲板与舷侧外板，且总段两端是开敞的，能够改善施工环境，提高施工效率和焊接质量。但由于大型汽车运输船车辆甲板板厚只有6-7mm，并且只有1-2排支柱支撑，总段起吊时，结构应力和变形很容易超标，产生车库层高不足，支柱对接精度不良及合拢口线型不光顺等问题。这是本文主要论述和要解决的问题。

    1 总体分析

    1.1 结构特点分析

    本文研究的某大型汽车运输船的车库区结构为柔性结构设计（甲板强横梁和舷侧强肋骨错位安装），双纵桁，双支柱，车辆甲板的厚度为7mm。研究总段（下称总段）有四层甲板，长宽高尺寸为：45.25×36.45×9.9米，柔性结构设计和较大的跨距是产生变形的主要因素。

    1.2 总段重量

    该典型立体车库总段由6个车库舷侧分段，24个甲板片体分段合拢而成，经生产设计后提取的典型立体车库结构重量771吨，舾装件重量87吨，吊排及索具160吨，合计1018吨。本船建造船坞和总组场地配有两台600吨龙门吊车，两车联吊最大起重1020吨。起重重量没有超出吊车最大起重能力。

    1.3 吊车布置参数要求

    根据吊车技术规格书要求，上小车间距为15.14米，两台吊车联合起重的最小间距为23米。起重总段长度不小于38.13米，本总段长度45.25米，长度满足两车联吊要求。

    2 吊装方案

    2.1 吊装方案一

    该型汽车运输船左右舷各设置了一道纵桁，间距支柱设置在该纵桁上，主结构连续性好，临时支撑少。因此优先选择将吊点布置在这两道纵桁上。上小车每个吊排下布置4只吊码，下小车布置8只吊码，左右舷6750纵桁各16只吊，共32只吊马，每只吊码受力约26.8吨，吊码选择40吨级A型吊码。

    总段吊装时的结构响应主要由它本身的重量引起，因此完整的分析应包含吊装前、后结构响应和吊装中结构响应，但吊装中的结构应力破坏力最强，因此本文选择吊装作过程中来研究总段吊装状态的结构响应。

    考虑吊装时冲击载荷及横风和不平衡吊装影响，在计算吊装时的惯性载荷，在型深方向取aZ=1.1g=10.78kgm/s2，其余方向为0。相应的垂向载荷为9438kN，其余方向载荷为0；

    有限元模型吊点设置与实际吊装中吊点布置相符合，边界条件设定在吊点处，约束每个吊点的X，Y平动和所有转动5等个自由度，吊点处允许垂向位移。

    方案一计算后的应力如图1所示，由于所有吊点都布置在6750縱桁处，且上下连接只有少量几根支柱，最大应力发生支柱与纵桁相连处，其应最高为249MPa。接近AH36材质的规范许用值，容易损坏结构。

    总段变形云图如图2所示，根据变形云图可知，总段最大变形量达153mm，各层甲板的形变量由顶层向底层逐层递减，顶层甲板的变形最大。甲板面设置吊耳处的形变率较大均超过3/1000。在吊装过程中会破坏内部结构和预装管子，且吊装后结构容易发生不可回弹的变形。

    因此，方案一由于应力、变形量过大，无法满足建造要求。

    经分析，方案一产生较大应力和变形的原因和解决方案如下：

    （1）吊点将总段横向切分为三段，间距分别为11.48米，13.49米和11.48米，吊点跨距大。且吊点布置在一条线上，过于集中。

    （2）由于舷侧外板与各层甲板为柔性连接结构，没有形成抗挠强结构框架，且舷侧重心距吊点离有11.48米，致使舷侧下垂变形量过大。

    （3）若要减小方案一变形量，需要在车辆甲板和舷侧外板之间做大量的斜支撑，每层甲板间增加垂直支撑，工作量大且施工难度大。

    2.2 吊装方案二

    针对方案一存在的问题，设计出第二套吊点布置方案。方案二将吊点分散开布置。部分吊点尽量接近外板，尽量减小因柔性连接点产生的变形量。方案由于外侧一列吊点下方无支撑且吊点与舷侧无刚性连接，因此需要在吊点位置处增加垂直临时支撑。方案二吊成布置见图3。

    修改有限元模型中的吊点，将临时支撑在有限元模型中建好模型。其它计算条件与方案一相同。计算结果的最大应力仍然在纵桁与支柱交点处，但由于吊点分散布置后，应力大幅下降至171Mpa，应力值已处于安全范围内。

    从方案二的变形云图来看（见图4），最大变形量仍处于舷侧外板处，但最大变形值已下降至24.9mm，不会发生永久性变形，完全满足总段合拢的精度要求。

    对比两套吊点布置方案，方案二具有应力小，变形量小的优点，符合施工要求，因此确定选择方案二为最终起重方案。

    3 结论

    通过有限元直接计算方法，能直观得到总段结构应力和变形量，将未知风险降至最低，并通过分析结果优化总段吊点布置，将结构应力和变形控制在规范和施工基准允许范围内，实现了柔性结构汽车运输船大型车库立体总段吊装。每个总段能减少坞内合拢缝长度约450米，全船共有四个立体车库总段，每船能减少坞内合拢缝长度约1800米。为缩短船坞周期创造了重要条件。

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