57000DWT散货船分段吊装变形预测及控制.pdf

学校编码 10390 分类号 u663 2 学 号 2010129032 密 级 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 57000dwt57000dwt 散货船分段吊装变形预测及控制散货船分段吊装变形预测及控制 指 导 教 师 林少芬 教授 作 者 姓 名 朱兆一 申 请 学位级别 硕士 专 业 名 称 轮机工程 论 文 提交日期 2013 年 4 月 16 日 论 文 答辩日期 2013 年 6 月 13 日 学 位 授予单位 集美大学 学 位 授予日期 答辩委员会主席 金福江 教授 论 文 评 阅 人 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 57000dwt57000dwt 散货船分段吊装变形预测及控制散货船分段吊装变形预测及控制 lifting deformation prediction and control of 57000dwt bulk carrier hull section 学学 科科 门门 类 类 工学工学 作作 者者 姓姓 名 名 朱兆一朱兆一 指指 导导 教教 师 师 林少芬林少芬 教授教授 专专 业业 名名 称 称 轮机工程轮机工程 学位授予单位学位授予单位 集美大学集美大学 论文答辩日期 论文答辩日期 20132013 年年 6 6 月月 1313 日日 学术诚信声明学术诚信声明 兹呈交的学位论文 是本人在导师指导下独立进行的研究工作及取 得的研究成果 除文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 本人依法享有和承担由此 论文产生的权利和责任 声明人 签名 时 间 保护知识产权声明保护知识产权声明 本人完全了解集美大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校 有权保留送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 可以采用 影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 同意集美大学可以 用不同方式在不同媒体上发表 传播学位论文的全部或部分内容 作 者 签名 导 师 签名 时 间 i 57000dwtdwt 散货船分段吊装变形预测及控制散货船分段吊装变形预测及控制 摘摘 要要 现代船体建造工艺采用了分段和总段建造法 吊装是船体分段与总段进行船台总组的 关键步骤 提高分段吊装技术对缩短船台周期 提高船体建造质量有着重要的意义 本文 利用有限元仿真技术预测并控制某船厂 57000dwt 散货船船体分段吊装时的变形与应力 并优化分段吊装方案 本文的主要研究内容包括 1 研究载荷与边界条件对有限元计算结果的影响 计算分段吊装变形与应力 建立 g901 船体分段的有限元模型 根据龙门吊的性能和吊码设置的基本原则 初步制定吊装方 案 通过采取三种不同边界条件施加方法进行比较 利用惯性释放的方法释放了吊码位移 自由度 考虑了吊索水平分力 具有较高的精度 经计算分段围壁底部的变形率超过船厂 规定范围 吊码连接处的围壁 强横梁和强纵桁应力水平达到 100mpa 须进一步计算该部 位的强度 2 吊码强度参数化校核与分段局部有限元计算 通过利用吊码轴孔承压面的节点力 分布公式 vb 和 ansys 的接口技术 实现该船厂各类型吊码不同工况下参数化校核的关键 问题 应用子模型技术进一步计算吊码部位的变形与应力 解决了分段全局有限元模型网 格粗大 局部计算精度不足的问题 并为该部位变形和应力的控制提供了依据 3 优化吊码布置 控制吊装变形与应力 以结构最小应变能作为目标函数 吊装设 备性能作为约束条件 实现了利用粒子群算法优化吊码的布置 在保证结果一致的前提下 优化时间仅占枚举法的十分之一 建立二分法 粒子群算法的吊码最小数量优化模型 解 决了吊码数量和位置综合优化的关键问题 g901 分段吊装方案优化前后 结构整体应变能 由 1535j 下降为 1240j 吊码部位最大应力由 173mpa 下降为 157 5mpa 围壁的最大变形 由 36mm 缩小为 9mm 最大变形率由 18mm m 缩小为 3mm m 4 编制了利用有限元仿真的方法制定分段吊装方案的流程 对后续船体分段的吊装 具有实用和借鉴意义 关键词关键词 船体分段 吊装变形 有限元分析 参数化 吊码 ii lifting deformation prediction and control of 57000dwt bulk carrier hull section abstract section and super section construction method is widely used in modern ship building hull section lifting is the critical process of hull erection raising lifting technical level has significant implications for shortening the berth period and improving the quality of ship construction this thesis predicts and controls the lifting deformation and stress of 57000dwt bulk carrier s hull section by using the method of fea and optimizes the lifting plan this thesis mainly studies are as follows 1 calculating the deformation and stress of hull section caused by lifting and studying the effects of different load and boundary conditions on fea the finite element model of g901 hull section is established the number and location of lifting lug is decided according to the performance of gantry crane and the basic principle of lifting lugs arrangement three boundary conditions of fea are analysed and compared the method of adopting inertia relief has high accuracy attribute to releasing the dof of lifting lug and considering the horizontal component of sling the deformation and deformation rate of deckhouse bulkhead are out of the prescribed scope the maximum stress of deckhouse casing web beam and longitudinal girder which connect lifting lug is 100mpa it is necessary to analyse further 2 parameterized checking the lifting lug s strength and analysing the local structure s strength by using the nodal forces distribution of lifting lug s axle hole and the interface technology between vb and ansys achieve the function of lifting lug s parametric strenth check of different shape for various kinds of working conditions submodeling technique is used for analysing the deformation and stress of lifting lug and hull section for higher precision the problem of bad grid and precision of global analysis is solved and it also provide the data for deformation and stress controling 3 optimize the arrangement of lifting lug and control the deformation and stress of hull section caused by lifting minimum total strain energy criterion is taken as the objective function and the equipment characteristic of the lifting appliance is taken as constraint condition the goal of lifting lugs arrangement optimization is realized by using the particle swarm optimization the pso model can save time compared with the enumeration method and ensure the result accuracy dichotomy pso model to the minimum quantity of lifting lug is built comprehensive optimize the number and location of lifting lug by comparing the result before iii and after optimization the total strain energy decrease from 1535j to 1240j the maximum of stress decrease from 175mpa to 157 5mpa the maximum of bulkhead deformation decrease from 36mm to 9mm and the maximum of deformation rate decrease from 18mm m to 3mm m 4 the technological process of making hull sections lifting plan is compiled by using the fea technology this technological process provides guide and reference for lifting other similar hull sections keywords hull section lifting deformation fea parameterization lifting lug iv 目目 录录 第 1 章 绪论 1 1 1 研究目的和意义 1 1 2 国内外研究现状 2 1 2 1 国外研究现状 2 1 2 2 国内研究现状 3 1 3 研究内容 4 第 2 章 船体分段吊装变形分析理论 5 2 1 船用钢变形理论及屈服准则 5 2 2 有限元分析在船体结构分析中的应用 6 2 3 吊码布置合理性的评价方法 8 2 4 粒子群优化算法 9 2 5 本章小结 11 第 3 章 船体分段吊装整体变形有限元计算 12 3 1 船体分段有限元模型的建立 12 3 2 吊装方案初步制定 13 3 3 吊装过程中的载荷与边界条件 15 3 4 分段吊装变形及应力分布预测 17 3 4 1 变形预测 18 3 4 2 应力预测 20 3 5 本章小结 23 第 4 章 船体分段吊装局部变形及强度分析 24 4 1 吊码变形及强度分析 24 4 1 1 吊码强度传统校核方法 24 v 4 1 2 吊码有限元分析模型的简化 25 4 1 3 吊码参数化有限元计算 29 4 2 分段局部变形及强度计算 32 4 2 1 子模型方法 32 4 2 2 子模型方法在局部分析中的应用 32 4 3 本章小结 34 第 5 章 船体分段吊装变形控制 35 5 1 使用辅助工装和加强措施 35 5 2 吊码位置优化 36 5 2 1 重心准则在吊码布局中的应用 37 5 2 2 基于粒子群算法的吊码位置优化 38 5 3 吊码数量与位置综合优化 41 5 3 1 吊码数量优化模型 42 5 3 2 吊码数量与位置综合优化 44 5 4 分段吊装方案制定优化过程 44 5 5 本章小结 46 第 6 章 结论与展望 48 6 1 结论 48 6 2 展望 49 致 谢 50 附 录 54 在学期间发表的学术论文 64 集美大学硕士学位论文 57000dwt 散货船分段吊装变形预测及控制 1 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 研究研究目的和意义目的和意义 船舶建造工艺一般分为船体建造 舾装和涂装三个部分 其中船体建造工艺是加工制 作船体构件 并将其装配焊接成中间产品 部件 分段 总段 总装成船体的工艺过程 在整个船舶生产过程中占据着重要的地位 根据造船工艺的主要任务 一方面应根据现有 技术条件 为造船生产制定优良的工艺方案和方法 另一方面应大力研究开发新工艺 新 技术 1 现代船体建造工艺采用了分段和总段建造法 与整体建造方法相比分段建造方法 可以缩短建造周期 提高船舶的建造质量和改善工人的作业条件 但也提高了对技术和工 艺的要求 据统计在船体建造过程中 吊装活动存在于整个造船周期的 45 以上 所有的 进度安排都以分段吊装计划为中心展开 2 研究提高分段吊装技术 对缩短船台周期 提 高船体建造质量和效率有着重要的意义 船体分段吊装是指使用起重机械将船体分段吊运至船台指定位置并进行焊接装配的 过程 是船体大合拢的关键步骤 在吊装方案制定时须综合考虑分段的结构形状 重量 重心 船台的起吊能力 总组场地 吊码布局及型号 主副索及卸扣的选取等因素 3 船 体分段结构复杂 体积和质量较大 在尾部分段 上层建筑分段还含有大量舾装件 随着 船舶大型化的发展趋势 船体分段尺寸及重量增大 刚性相对减小 分段整体吊装难度不 断增加 如何制定合理的吊装方案 保证分段起吊安全 不发生塑性变形 不损失舾装件 是分段吊装需要解决的问题 本文根据财政部科技部 财教 2009 365 号 科技人员服务企业行动项目 利用 数字化技术实现船舶无余量建造 研究的延续 对某船厂船体分段吊装作业展开研究 该 船厂受龙门吊等起重机械的限制 无法使用吊排和滑轮组等工装和技术 吊码数目设置少 分段所受弯矩和单个吊码承受载荷较大 故在吊装过程中分段易产生大变形和高应力 船 体分段变形过大会对船台大合拢产生不利影响 损伤预舾装件 增加额外的焊接和批补磨 工作 降低了工作效率并延长了船台周期 该船厂对分段中含有舾装件的部位要求变形率 小于 1mm m 其余部位的变形率小于 5mm m 分段吊装方案中吊码布置对变形影响最大 当吊码布局不合理 存在严重焊接缺陷时 曾发生板筋撕裂 分段姿态失控等严重事故 该船厂在生产设计时 技术部门根据分段的结构尺寸和重量重心预先做粗略的计算 确定 吊码类型和布置方案 现场施工人员根据经验再对吊装方案进行相应的修正 由于预先没 有对分段吊装时的变形和应力做详细计算 故无法对其进行有效的控制 此外吊码作为分 段与吊索的连接点 要求有极高的安全可靠性 生产实际中吊码常重复利用 经过反复的 割 焊后其结构尺寸会发生变化 需要适时的根据实际载荷对吊码强度进行校核 传统的 集美大学硕士学位论文 57000dwt 散货船分段吊装变形预测及控制 2 吊码强度校核方法简单 计算结果无法反映吊码真实的受力状态 研究吊码强度的校核方 法十分必要 为了提升技术部门制定船体分段吊装方案的技术水平 提高吊装作业的安全性和船台 效率 本文研究利用虚拟仿真的方法预测分段吊装变形和应力水平 并优化吊码的布置 控制强度较弱部位的变形 1 2 国内外研究现状国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状国外研究现状 根据世界先进船舶制造企业的技术水平 其船厂对于船体分段吊装掌握了成熟的技 术 在上层建筑整体吊装方面表现更为突出 上层建筑分段在吊装前进行了大量的舾装 一旦在吊装过程中发生变形轻则对门窗玻璃 甲板敷料等造成破坏 重则导致分段产生塑 性变形 若再加以火工矫正 势必拆除大量舾装件 破坏油漆 既浪费材料又浪费工时 4 韩 日船厂与配套企业协作生产的中间产品逐步走向大型化 集成化 成品化 协作配套 厂生产的上层建筑是一个包含全部舾装的整体分段 即上层建筑由配套厂制作成成品供给 船厂 韩国东方精工 opco 即是以建造完整的上层建筑为主的大型船舶配套企业 平均 每年制造 90 个完整的上层建筑供给日本和韩国的船厂 上层建筑分段在制作 运输及安 装过程中经历多次吊运 为了保证上层建筑在吊运过程中不发生变形 并保护舾装不受破 坏 该配套厂在控制吊装变形方面采取了成熟的措施 5 国外学者针对船体分段 海洋平台及大型空间桁架结构的吊装主要从以下方面开展理 论研究 1 吊点优化 文献 6 通过对大型船舶与海洋平台整体吊装工艺的研究 以满足结构吊装安全性为 约束条件 提出了以整体结构最小弯矩或者最大基础自然频率为目标函数的吊点位置优化 思想 并利用进化策略对其进行搜索求解 建立相关的数学模型 并就均质板 梁结构的 吊点位置进行了优化分析 6 在分析传统混凝土长柱吊装方法不适用于大型空间桁架结构 吊装的基础上 文献 7 8 以最小结构应变能为目标函数对吊点的位置进行优化 采取枚 举法求解最小结构应变能对应的最优吊点位置组合 7 8 2 吊索受力计算 文献 9 提出了在考虑吊索伸长的情况下求解利用多台克令吊起吊大型船体分段的吊 点力的算法 除了利用力和力矩的平衡方程 该算法引入了协调性条件计算静不定问题 通过与现场测量结果的分析比较 该计算方法精确可靠 可以应用到类似船体分段吊装的 吊索受力计算 利用吊索受力的计算结果 选择相应的吊索 吊码规格 并对分段在吊码 处的部位进行强度校核 9 3 起吊高度研究 集美大学硕士学位论文 57000dwt 散货船分段吊装变形预测及控制 3 文献 10 应用函数满意法对吊装过程中起吊高度进行了优化 在实际吊装过程中 起 吊高度不同会给结构带来不同程度的影响 吊装过程起吊高度过低 造成绳索受力过大 提高对索具的要求 过大的吊索水平分力还会对分段结构产生不利影响 吊装过程中起吊 高度过高 会加剧结构在吊装过程中受到干扰作用而产生的摆动 若遇到起重机械升高的 限制 甚至无法完成吊装作业 10 1 2 2 国内研究现状国内研究现状 国内造船厂开展船体分段吊装技术工艺方面的研究主要是针对上层建筑的完整性吊 装 和对线型复杂的船舶首尾分段 刚性较差的舱口围整体分段吊装研究 理论研究主要 在以下方面开展 1 吊装模型的有限元分析 利用二维有限元法对船体分段吊装模型进行分析 将分段结构离散成梁单元和节点 将围壁与甲板分别视为工字梁的腹板与翼板 对梁单元施加重力载荷并定义位移约束 计 算其应力和节点的位移 然后利用三弯矩原理按照经典力学方法校核强度 该方法对实际 的吊装模型做了大量的简化 减小了计算规模 缩短了计算时间 11 利用三维有限元法对船体分段吊装模型进行分析 通过建立船体分段的三维模型 根 据既定吊装方案对其吊装过程做静力有限元分析 12 14 计算船体分段在自重作用下的结构 变形及应力 由分析结果确定变形过大 应力过高的部位 对这些薄弱部位提出加强措施 并对加强后的船体分段再次做有限元分析 校核吊装方案的合理性 15 17 2 分段吊装变形的控制范围分析 文献 18 利用有限元计算某上层建筑分段在吊装过程中的结构应力及变形 并采用应 变片位移传感器对实际分段吊装进行多点测量 根据所得到的数据分析内舾装结构与实际 吊装变形量的关系 并根据该关系作为类似上层建筑分段吊装方案设计与校核的依据 扩 大了上层建筑预舾装的比例 18 3 应用最优化理论优化吊装方案 对水平方向尺寸较大而垂向尺寸较小的船体结构进行吊装时 采用多级吊索的措施可 以有效的减小结构变形和应力 考虑了船体变形对中间吊点位置求解的影响 采用 matlab 优化工具箱中的无约束非线性最小化函数 fminunc 结合有限元分析进行迭代求解 优化多 级吊索中间节点的位置 使各吊索合理分配受力 为吊索的选型和强度校核提供了技术参 考 19 综合国内外关于船体分段吊装的研究现状 笔者认为在进行吊装方案的制定及优化 吊装变形预测及控制方面还有值得进一步研究 首先在吊码布局优化方面国内外还缺乏相 应的研究 目前仅分析在特定吊码布局下分段吊装的结构响应 无法分析不同吊码布局对 分段结构产生的影响 没有统一的吊码布置合理性的评价准则 无法应用具体的数学方法 优化吊码的布局 其次 对于船用吊码强度校核的相关研究较少 目前仅针对处于特定工 集美大学硕士学位论文 57000dwt 散货船分段吊装变形预测及控制 4 况下特定类型的吊码 应用力学公式或有限元软件校核吊码的强度 该方法对工程技术人 员技术水平较高 需要以一种参数化 简化的方法校核吊码的强度 最后 在分段吊装有 限元分析时很多学者没有考虑吊索受力对分段结构的影响 吊装时边界条件的施加是通过 约束吊码部位节点的平移自由度实现 这样处理没有考虑吊码在吊装过程中的真实受力 忽略了吊索水平分力对结构的影响 人为的限制并减小了分段的吊装时的变形 当吊索与 水平面的角度过小或吊索与吊码腹板存在角度的时候 计算的结果与实际情况会产生明显 的误差 1 3 研究内容研究内容 本课题以某船厂 57000dwt 散货船建造过程中上层建筑分段吊装为研究对象 研究利 用有限元分析预测船体分段在吊装时变形和应力 控制分段变形 优化吊装方案的方法 本文主要开展以下工作 1 利用船体分段的生产数据建立有限元模型 分析龙门吊的技术参数和吊码设置的 基本要求 设定吊装方案 分析吊索与水平方向的夹角对吊码受力的影响 采取了吊码自 由度约束 施加吊码分力和模拟吊索等三种方法设置载荷与边界条件 对分段吊装过程进 行计算 预测并比较三种方法下分段结构的变形和应力 研究载荷与边界条件的设置对有 限元分析结果的影响 2 研究模拟卸扣轴销与吊码工作状态下接触的载荷简化方法 比较各简化方法结果 的特点 研究利用 vb 程序和 apdl 语言实现对该船厂各类型吊码不同工况下的参数化有限 元分析的方法 并应用子模型技术对吊码部位进行精确计算 3 采取加强的措施控制分段的局部变形 将最小应变能准则作为吊码位置优劣评价 准则 考虑龙门吊性能等约束条件 采取标准粒子群优化算法对吊码的布置进行优化 并 将其与枚举法 遗传算法的性能作比较 建立以吊码最小数量为目标的优化策略 对吊码 的数量和位置进行综合优化 探索吊装方案制定的优化过程 集美大学硕士学位论文 57000dwt 散货船分段吊装变形预测及控制 5 第第 2 章章 船体分段吊装变形分船体分段吊装变形分析理论析理论 2 1 船用钢变形理论及屈服准则船用钢变形理论及屈服准则 结构的强度 刚性与稳定性不仅与其形状 尺寸及所受外力有关 而且与材料的力学 性质有关 了解船用钢的力学性质是研究结构强度 刚度的必要条件 其中钢材料的应力 应变关系广泛应用于理论分析和工程应用计算 20 21 船用钢是指用于制造海船和内河船 舶船体结构用钢 通常为优质碳素钢和优质低合金钢 22 a 级船用钢 q235 是船舶工业中广 泛应用的低碳钢 通过拉伸试验可以测定材料在单向静拉伸力作用下强度与塑性指标的力 学性质 得到其应力 应变关系 图 2 1 所示为 q235 拉伸试验应力 应变关系示意图 图 2 1 q235 拉伸试验应力 应变关系示意图 在图 2 1 所示的整个拉伸过程中 材料经历了弹性ob 屈服bc 硬化ce与颈缩ef四 个阶段 并存在三个特征点 相应的应力依次为比例极限 p 196mpa 屈服应力 s 235mpa 与强度极限 b 380mpa 23 在船体分段吊装过程中 结构由于受到自身重力和吊索的共同 作用而产生变形 必须使材料应力小于屈服应力 s 避免发生屈服现象 屈服准则是材料在复杂应力状态下由弹性状态进入塑性状态时各应力分量满足的关 系 金属材料常用的屈服准则是屈雷斯加 tresca 屈服准则和密塞斯 von mise 屈服 准则 大量的实验结果表明一般金属材料的实验数据点更接近于 von mise 屈服准则 24 本文在应用有限元方法计算船体结构强度时 利用 von mise 屈服准则以判定材料是否进 入塑性状态 当 von mise 应力达到定值时材料质点发生屈服 该定值与应力状态无关 cg 133221 2 1 上式中 321 是与坐标轴无关的三个方向上的主应力 c由材料在变形条件下 的性质确定 或者说 材料处于塑性状态时其等效应力 是不变的定值 该值取决于材料 变形时的性质 而与应力状态无关 c e o a b p e s b f 集美大学硕士学位论文 57000dwt 散货船分段吊装变形预测及控制 6 c 2 13 2 32 2 21 2 1 2 2 上式中 c的值等于由单向拉伸实验确定的材料屈服强度s 则 von mise 屈服准则 可写成 2 2 13 2 32 2 21 2 s 2 3 式 2 3 边同乘以常数 e6 1 则 2 2 13 2 32 2 21 3 1 6 1 s ee 2 4 上式中 e分别为材料的弹性模量 泊松比 式 2 4 左端为变形体在三方向应 力作用下单位体积的弹性形变能 在中国船级社制定的 散货船结构强度直接计算分析指南 中 船体结构屈服强度安 全性评估中采用的参考应力为有限元分析中得到的平面单元 壳或膜 中心的 von mise 等效应力 或线单元 梁或杆 的轴向应力 散货船结构强度直接计算分析中规定参考应 力不大于许用应力 船体结构中甲板板 纵向桁材 肋板的许用应力为 mpa 175 k 2 5 上式中k为材料换算系数 若使用最小屈服强度为 235mpa 的 a 级船用钢 则材料换 算系数k为 1 25 2 2 有限元分析在船体结构分析中的应用有限元分析在船体结构分析中的应用 近年来船舶大型化的发展趋势和新船型 结构和材料的不断出现 提出了船舶结构的 弹塑性破坏 疲劳和断裂等新课题 需要寻找新的有效的船体结构强度分析方法 有限元 方法用有限子域的组合代替连续域 把连续场函数的微分方程求解问题化为有限个参数的 代数方程组的求解问题 在结构分析中应用广泛 能够求解非均匀连续介质问题 线性或 非线性问题 并便于编译计算机程序 26 28 随着计算机性能的提升 有限元分析软件相继研发 将复杂船体结构划分为有限单元 实现了船体结构强度直接计算 29 在船体结构分析方面应用广泛的大型通用有限元软件有 abaqus ansys 等 30 32 船体结构的有限元分析可以分为三个不同的层次 1 整船分析 针对大开口型船舶 如集装箱船 等特殊船型进行强度分析 获得应力和变形的整体情况 2 舱段分析 主要分析甲板 舷侧 船底和舱壁等结构在局部载荷作用下的强度 3 局部有限元分析 在对船体整体分析的基础上 进一步计算主要构件或关键部位的应力水平和分布 33 利用 有限元软件分析船体结构的流程如图 2 2 所示 集美大学硕士学位论文 57000dwt 散货船分段吊装变形预测及控制 7 图 2 2 船体结构有限元分析流程 对于船舶 飞机等复杂结构 由于载荷条件的复杂性 载荷计算方法的限制及数值计 算误差积累等原因 建立一个绝对的自平衡力系较为困难 为有限元求解带来不便 34 使 用多吊索吊装的船体分段与吊索是超静定结构 利用力和力矩的平衡方程不能直接计算各 吊索 吊码 的受力 造成无法准确确定有限元计算时的载荷与约束条件 为解决这一问 题 可在分析模型中利用惯性释放的处理措施 惯性释放在有限元分析中是一个处理约束条件的措施 在abaqus及ansys分析软件中 可以直接设置 在分析过程中应用惯性释放时 通过静 动力平衡的方法构造一个自平衡 的力系 35 有限元计算中忽略阻尼效应 结构在外载荷的作用下力的平衡方程为 fukum 2 6 上式中 u为各自由度位移矢量 m为质量矩阵 k为刚度矩阵 f为载荷矢量 有限元特征频率及模态方程为 船体结构实际问题 确定载荷 边界条件等 熟悉用户界面和软件使用 确定问题的实质 建立船体结构有限元模型 选择有限元分析软件 有限元程序输入数据 前处理程序输入数据 运行前处理程序 生 产分析文件 进入求解器求解 输 出结果文件 分析结果显示 运行后处理程序 后处理程序输入数据 集美大学硕士学位论文 57000dwt 散货船分段吊装变形预测及控制 8 0 2 qmk 2 7 通过式 2 7 可以获得结构模态向量 q 及对应的特征频率 所有的模态向量构 成模态矩阵 用矩阵 r 表示所有刚体运动模态 刚体模态坐标下的广义加速度矢量 可由下式求得 tt fm rrr 2 8 利用结果 可以计算出对应于各刚体运动模态的惯性力合力 inr f inr r mf 2 9 根据达朗伯原理用惯性力表示系统的加速度 将动力学问题转化为静力学问题进行求 解 使用惯性力对外载荷进行修正 inr fff 2 10 即 r mff 2 11 式中 f为经过惯性释放修正后的载荷矢量 在该载荷作用下系统处于平衡状态 f为进入有限元静力学求解器的最终载荷值 36 利用惯性释放功能进行结构有限元直接计算时 对于施加的各种载荷工况都能够得到 结构的变形和应力计算值 但是力的不平衡程度会直接影响最终计算结果的准确性 系统 本身力系平衡程度越高 则惯性力在平衡力系中的作用越小 计算误差越小 得到结构的 变形和应力越接近实际情况 2 3 吊码布置合理性的评价方法吊码布置合理性的评价方法 在我国工业钢结构设计中 强度和变形设计指标常见的表现形式有最小弯矩准则 应 力比和挠度准则 最小应变能准则等 最小弯矩准则适合作为单个细长构件的吊码布置合 理性评价准则 在混凝土长柱吊装领域得到广泛的应用 对于仅有梁或杆组成的结构 吊 装方案的确定宜使用应力比和挠度准则 37 船体分段典型的结构形式是加筋板壳 加筋板壳由主体板件或壳和加强筋 如梁 肋 骨 纵骨 按照一定的方式焊接而成 其实际结构形式多种多样 38 利用有限元方法计算 时由于模型简化 载荷等效等各方面原因 会产生应力集中现象 此时若以结构的最大应 力作为评价准则会造成结果分析的不准确 在船体分段吊装有限元计算时 必须综合考虑结构整体和局部的变形 排除应力集中 现象对分析结果的影响 整体应变能包含了结构有限元计算中所有单元的应变信息 能够 从应力 应变 位移等多方面综合考虑问题 比用应力 应变等单一指标考察问题更加全 面 39 此外 能量属于不涉及方向的标量 便于在优化计算中比较和分析 故可将最小应 变能准则作为分段吊装方案吊码布置合理性的准则 集美大学硕士学位论文 57000dwt 散货船分段吊装变形预测及控制 9 在线弹性范围下与载荷成线性关系 因此应变能仅取决于弹性体的最终变形 或是载 荷的终值 40 结构整体的应变能u为 dau 2 12 式中 a为微元 d内由于变形而储存的应变能密度 为结构区域 其中 t a 2 1 2 13 式中 分别为微元在各方向上的应变和应力 对整个结构进行离散并取出一个 单元 则任意一点的应力和应变为 d b ee 2 14 式中 d为弹性矩阵 ddt e 为节点位移矩阵 e b为单元应变矩阵 每个单元 的应变能 e u大小为 ee t eee t e t e v e kdvdbbu e 2 1 2 1 2 15 式中 e v e t ee dvdbbk为单元的刚度矩阵 将各单元的应变能累加 得到整个结构的 应变能为 m i ei uu 1 2 16 式中 m是结构中单元的总数 以结构最小应变能为目标函数的优化设计的表达式为 min m i ei uxu 1 21n xxxx 2 17 t s 0 xgj lj 2 1 其中 xu 为目标函数 x为设计变量 n为设计变量的个数 xgi 为约束条件 l为约束条件的个数 利用有限元分析软件 可以计算出结构的应变能密度 总体应变能 数据 为模型的优化分析提供了便利 41 2 4 粒子群优化算法粒子群优化算法 对于工程中的非线性有约束离散变量优化设计问题 可以采用粒子群算法 pso 进 行优化 粒子群优化算法是一种全局最优化方法 它是对群体行为的模拟 具有可并行搜 索 可求解不可微分方程等优点 是继遗传算法 模拟退火算法之后优化领域研究的新方 向 42 44 设在搜索空间中的一个粒子群共存在n个粒子 粒子群中的每个粒子会以一定的速度 寻优 其中第i个粒子 i x在搜索空间的位置向量及对应速度 i v可以表示为 集美大学硕士学位论文 57000dwt 散货船分段吊装变形预测及控制 10 1 1 iqijii iqijii vvvv xxxx 2 18 式中 q为搜索空间的维数 ijij vx 为粒子第j维上的的坐标与速度 qj 2 1 每个粒子在寻优过程中要根据自身历史最优值 i p和种群的最优值 g p来调整自身速度 45 对于最小化问题 目标函数的数值越小对应的适应值就越好 对于1 a次迭代 每个 粒子的飞行速度和位置为 21 1a i a g a i a i a i a i xpcxpcwvv 2 19 11 a i a i a i rvxx 2 20 式 2 19 式 2 20 中w是保持原来速度的系数 称为惯性权重 1 c是粒子跟踪自 己历史最优值的权重系数 它表示粒子自身的认识 2 c 是粒子跟踪群体最优值的权重系数 它表示粒子对整个群体知识的认识 是 0 1 区间内均匀分布的随机数 r是对位置 更新的约束因子 a为迭代次数 惯性权重w在整个搜索过程中按照公式 2 21 变化 a k ww ww max minmax max 2 21 式中 max w min w分别代表惯性权重的最大 最小值 pso 算法的流程如图 2 3 所示 图 2 3 粒子群算法流程 集美大学硕士学位论文 57000dwt 散货船分段吊装变形预测及控制 11 2 5 本章小结本章小结 本章描述了船用结构钢的力学性质和屈服判断准则 为分段吊装变形分析奠定了基 础 描述了有限元方法解决实际问题的流程 惯性释放原理船体结构有限元分析中的应用 比较了最小弯矩准则 应力比和挠度准则 最小应变能准则这三种评价准则的适用范围 分析最小应变能准则作为船体分段吊装吊码布置评价准则的合理性 为吊码布局方案的确 定提供了优化目标 描述了粒子群算法的基本原理与流程 集美大学硕士学位论文 57000dwt 散货船分段吊装变形预测及控制 12 第第 3 章章 船体分段吊装整体变形有限元计算船体分段吊装整体变形有限元计算 3 1 船体分段有限元模型的建立船体分段有限元模型的建立 由于受到龙门吊起重能力的限制 某船厂在建造 57000dwt 散货船时上层建筑分为上 下两个大型分段进行船台总组 位于下部的 g901 分段水平方向的尺寸较大 刚性较差 而且质量分布不均匀 重心偏向于船尾侧方向 内部舱室分布复杂 吊装施工作业难度较 大 根据该船厂的生产设计方案 g901 分段由 901 911 912 及 913 四个小型分段组成 小型分段的几何模型如图 3 1 所示 装配后的 g901 分段结构几何模型及主体尺寸如图 3 2 所示 a 913 分段 b 912 分段 c 911 分段 d 901 分段 图 3 1 g901 分段结构组成图 几何建模是有限元分析的基础 对单元类型的选择 网格的控制等都有直接影响 在 几何建模的的过程中对分段结构进行合理简化 既能保证分析精度 又能缩小有限元计算 的规模 在有限元分析前处理技术中 几何模型分为线 面 实体三种模型形式 壳模型 与实体模型相比数据结构简单 占用储存量较少 合理使用壳模型将使建模和操作更为方 便 上层建筑是由甲板 甲板横梁 甲板纵桁 围壁及围壁扶强材构成 这些结构的长 宽方向的尺寸远大于厚度方向的尺寸 所以选用三维壳模型来模拟 12 46 本文根据 57000dwt 散货船的生产设计数据 利用有限元软件 abaqus 建立上层建筑 901 911 912 及 913 分段的结构模型 将其装配成所示的 g901 大型分段 结合舾装情况 通过改变有限元模型材料密度的方法调整 g901 分段模型的重心 使其与实际分段吊装时 的重量及重心位置相一致 各分段模型 舾装及有限元的重量 重心位置在表 3 1 中 采 用线性 有限薄膜应变 减缩积分 四边形三维壳单元 s4r 来划分 g901 分段模型的网格 集美大学硕士学位论文 57000dwt 散货船分段吊装变形预测及控制 13 将几何模型的有限元网格全局尺寸定义为 0 3m 并对吊码所在区域的网格进行细化 通过 分网共获得 50171 个单元 48585 个节点 g901 分段的有限元网格如图 3 3 所示 表 3 1 模型重量 重心表 模型 重量 t 重心坐标 相对于全船坐标系 m x y z 901 分段 84 452 0 459 19 422 20 812 911 分段 35 677 0 314 8 337 20 742 912 分段 40 173 0 198 9 026 24 657 913 分段 15 614 0 001 9 655 31 121 舾装汇总 42 005 0 178 14 251 22 537 g901 大型分段 217 921 0 123 13 992 22 581 有限元 217 921 0 0378 13 544 22 859 图 3 2 g901 分段几何模型 图 3 3 g901 分段有限元网格 3 2 吊装方案初步制定吊装方案初步制定 龙门吊的起重能力和结构特点直接影响船体分段的划分 制造与吊装 船体建造过程 中每个分段的重量必须限制在龙门吊所要求的载荷范围内 分段吊运 翻身方案的制定与 实施应严格遵循龙门吊技术参数的要求 某船厂 1 船台设有一部 300t 龙门吊 该龙门吊 有上 下两个小车 上小车有两个主吊钩 下小车配备一个主吊钩和一个副吊钩 1 300t 龙门吊的技术参数见表 3 2 集美大学硕士学位论文 57000dwt 散货船分段吊装变形预测及控制 14 表 3 2 1 300t 龙门吊设计主要技术参数 性能 参数 起重能力 吊钩以下 上小车最大起重 2 100t 下小车最大起重 150 30t 上 下小车联合抬吊最大起重 300t 钩距 11 米 上 下小车翻转作业最大起重 200t 小车两钩容许载重差 50t 起升高度 2 100t 和 150t 主钩 轨上 60m 轨下 6m 30t 副钩 轨上 61m 轨下 6m 起升速度 2 100t 和 150t 主钩 0 2 5m min 变频调速 30t 副钩 10m min 三级调速 运行速度 大 小车 0 6 20m min 变频调速 其它主要参数 工作风速 14m s 上小车两钩距离 12m 吊码的布置如图 3 4 所示 吊码的安放位置和数目是吊装方案制定中最关键的问题 合理的吊码布置可以使船体分段受力均匀 减小结构变形 防止分段姿态失稳 并能最大 程度的发挥起重设备的起吊能力 由于各个船体分段的结构形式 重量均有所不同 施工 中吊码的布置方案就存在差异 图 3 4 分段吊码布置 吊码安放位置应遵循以下基本原则 47 1 尽量对称与分段的重心设置 使各吊码受力均匀 减小分段结构弹性变形 确 保不发生塑性变形 2 应尽量设置在强构件上 能充分利用原有结构 以减少补强构件 3 应使吊索与水平方向夹角大于 60 度 以减少在分段结构上的水平分力 4 在分段翻身的过程中 受力发生变化的吊码 应满足最大受力时的强度校核 吊码 集美大学硕士学位论文 57000dwt 散货船分段吊装变形预测及控制 15 5 吊码一般应位于分段的重心之上 以保证分段吊装时的稳定性 吊码数目设置越多 单个吊索 吊码受到的载荷越小 船体分段受力越均匀 结构的 变形和应力相应减小 受吊码安装位置 吊索及卸扣的影响 超静定状态下的吊索受力不 均匀 无法直接计算出吊码的实际受力 通常情况下每个吊钩连接的吊索不大于 4 根 若 超过 4 根就需要配备吊排 滑轮组等辅助工装 增加了吊装作业的复杂程度 吊码数目的 增加不但提高了建造成本而且延长了工时 综合考虑吊码数目设置的基本原则为 在保证 吊装安全性的情况下 尽量减少吊码的数目 因 g901 分段总重量均超过上 下小车各自额定起重量 并且分段结构形状和质量分 布在船宽方向 x 方向 上具有一定的对称性 故采用上下小车联合起吊的方式 吊码的 数目有 4 6 8 10 12 五种可选方案 根据分段重量载荷的分配 采用 4 及 6 吊码吊装 方案的单个吊码最大承重超过 50t 由于上层建筑的甲板板厚度薄 承载能力有限 故在 吊装方案初步制定过程中采用 8 吊码形式 即上小车 a 吊机吊钩下设两个吊码 a1 a2 b 吊机吊钩下设两个吊码 b1 b2 下小车主钩下设四个吊码 c1 c2 c3 c4 图 3 5 所示 为吊钩 吊索在分段上的分布位置 图 3 5 吊钩及吊码位置示意图 3 3 吊装过程中的载荷与边界条件吊装过程中的载荷与边界条件 1 载荷条件 在吊装过程中 分段竖直方向上缓慢提升或下降 所受到的主要载荷为自身的重力与 吊索的拉力 考虑吊装过程中的冲击载荷影响 实际载荷在垂向取 1 1 倍重力 重力加速 度为 9 8m s 2 的惯性载荷 14 水平方向忽略风载 龙门吊移动加速度等影响 2 边界条件 大型分段吊装分析涉及到超静定问题 边界条件难以准确确定 吊索的材料 长度 z x y 集美大学硕士学位论文 57000dwt 散货船分段吊装变形预测及控制 16 安装误差 分段的刚性大小等都会影响到吊码的受力 如果边界条件的设置脱离了实际 则计算结果与实际情况有较大的差异 在国内学者的研究中 分段吊装过程中的边界条件 确定的方法分为两种 一是使用桁架杆单元模拟吊索 约束吊索顶端处位移自由度 48 50 二是约束吊码部位节点的自由度 51 53 第二种方法应用最为广泛 但笔者发现此种方法没 有考虑到吊索