船舶有限没元分析.doc

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1、本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 学 院 船舶与海洋工程 专 业 船舶与海洋工程 姓 名 班级学号 指导教师 二零一零年六月 散货船上层建筑整体吊装强度有限元分析散货船上层建筑整体吊装强度有限元分析 FE analysis of complete lifting and mounting of bulk carrier superstructure I 摘摘 要要 船舶上层建筑整体吊装是船舶建造中的一项新工艺。它对扩大作业面，改善劳动 强度，提高生产率，缩短船舶建造周期、降低造船成本等具有很大的意义1。随着 船舶日益大型化，预舾装程度的不断提高，上层建筑的整体尺寸越来越大，重量越 来越重。如

2、何克服结构重，尺度大，刚性小是摆在大型船舶上层建筑整体吊装面前 的一大难题。 本论文以 176000t 散货船上层建筑整体吊装为研究对象，设计合理的吊装方案， 利用 MSC/PATRAN 和 MSC/NASTRAN 软件，对该上层建筑进行有限元建模、网格 划分，根据研究对象的不同，分为两种工况，分别对该上层建筑结构和吊排结构进 行加载、约束处理、仿真计算、强度分析，并通过对计算结果的分析与研究，对该 船上层建筑体吊装时的结构强度特点、吊装方案、临时加强措施等进行分析总结， 并进一步提出优化建议。 关键词关键词： 上层建筑；吊装；有限元； II Abstract Ship superstruct

3、ure integral hoisting is a new technology of shipbuilding. It has great significance for expanding its operation area, improving the labor intensity, improving productivity, reducing ship construction cycle and reducing shipbuilding costs. As the ships become increasingly larger, the overall size of

4、 the superstructure is also growing, how to overcome the structural weightier, size larger, rigid littler is the major problem placed in front of the large ship superstructure integral lifting. This paper use 176000t bulk superstructure integral hoisting as researching object, designing reasonable s

5、cheme of lifting, using MSC/Patran and MSC/Nastran, finite element modeling of the superstructure, mesh. We can divide it into two conditions of ship superstructure and crane row by difference researching object, then loading, constraining processing, simulation calculation, strength analyzing, to h

6、ang row structural strength analysis, and the numerical results of analysis and research on the boat integral hoisting of high-rise building structure strength characteristics, lifting scheme, temporary measures etc. Are analyzed and summarized, and puts forward Suggestions on how to optimize Keywor

7、d: Superstructure, Lifting，Finite element III 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论.1 1.1 研究意义及背景1 1.2 研究内容3 第二章第二章 有限元分析软件介绍有限元分析软件介绍.4 2.1 有限元简介4 2.2 MSC/PATRAN 软件介绍6 2.3 MSC/NASTRAN 软件介绍.7 第三章第三章 上层建筑基本资料及吊装方案上层建筑基本资料及吊装方案.9 3.1 上层建筑基本资料：9 3.2 上层建筑吊装方案10 3.2.1 船舶上层建筑整体吊装方案设计流程.10 3.2.2 176000 吨散货船上层建筑整体吊装方案11 第四章第四

8、章 上层建筑吊装强度有限元计算上层建筑吊装强度有限元计算.15 4.1 上层建筑有限元模型15 4.2 上层建筑整体吊装计算工况25 4.2.1 工况一：分析上层建筑结构应力与变形.25 4.2.2 工况二：分析吊排结构应力水平25 4.3 上层建筑结构应力与变形26 4.4 吊排结构应力36 4.5 吊装方案强度分析结论及优化建议38 第五章第五章 船舶上层建筑整体吊装的工艺的未来及展望船舶上层建筑整体吊装的工艺的未来及展望.40 结结 语语.41 致致 谢谢.42 附附 录录.43 参考资料43 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 研究意义及背景研究意义及背景 船舶上层建筑是指位于上甲板

9、以上，自一舷伸至另一舷或其侧壁自外板内缩不 大于 4%船宽的围蔽建筑物。有时也泛指包括甲板室在内的甲板建筑物。上层建筑包 括船楼和甲板室。上层建筑可用于布置各种舱室、战位和各种装置等，减少甲板上 浪，增加船舶储备浮力，并可保护机舱开口免受波浪侵袭。根据需要，可有不同的 长度和层数，在大型客船上最为庞大。主船体加上上层建筑构成一定高度和断面变 化的船体梁，上层建筑按其所在位置和长度大小，不同程度地参与船体总纵弯曲， 船体在上层建筑端部将产生严重的应力集中，在设计中应引起重视。舰艇上层建筑 的形式、层数和设置，取决于舰艇的类型、主尺度和使命，并与总体舱室布置、武 器布置、生活居住条件及航海性能密切

10、相关。在潜艇耐压船体上方，沿船长设置并 与非耐压船体连成一体的结构，也称上层建筑。根据上层建筑所在的位置，又可分 为艏楼、桥楼和艉楼等2。上层建筑的甲板有各种名称，如艏楼甲板、艉楼甲板、 游步甲板、救生甲板、驾驶甲板、罗经甲板等。 上层建筑主要承受如下各种力的作用： （1）波浪冲击：船舶航行遭遇恶劣的海况时，上层建筑可能受到波浪的冲击， 特别在首部承受载荷最大；当船舶迎着风浪行驶时，在中部上层建筑的 所有围壁中，又以前端壁承受载荷最大。 （2）总纵弯曲：中部较长的上层建筑，尤其是长桥楼，因其侧壁作为舷侧板 的延续部分，将随着主体一起弯曲，承受很大的总纵弯曲应力。中甲板 室如果长度很大，且又支持

11、在主体的三道横舱壁或强肋骨框架之上，也 会随着主体一起弯曲，首楼、尾楼和尾楼甲板室受到总纵弯曲的影响较 小，但若长首楼向船中延伸较长时，也承受一定的总纵弯曲应力。 船舶主体沿船长方向是连续的，而上层建筑是间断的，船体在上层建筑端部 附近，结构发生突变，当船舶总纵弯曲时，在船中的上层建筑端部将会产生严重 2 的应力集中现象。如果不采取相应的结构措施，船舶航行时就有可能使该处的上 甲板、舷顶列板和上层建筑侧壁发生裂缝，这必须引起充分注意。 根据船楼参与总纵弯曲的程度不同，通常把长度大于船长15%及本身高度 6 倍的长桥楼视为强力上层建筑。短桥楼及长度不延伸至船中0.5L 区域以内的 首楼和尾楼视为

12、轻型上层建筑。在船端部0.05L 区域内的横梁和纵骨的间距应 不大于 600mm；0.05L0.2L 首端区域内不大于 700mm。 船楼由侧壁、端壁和甲板板围成，并由横向骨架（肋骨、横梁）及纵向骨架 （纵桁、纵骨 ）加以支持，其结构形式与主体上相应的板架类似。船楼的侧壁或 甲板上设有大开口时应予以加强。目前，在货船中采取桥楼形式的上层建筑已很 少见。甲板室设于船舶的上甲板或船楼甲板上。甲板室与船楼一样，根据它参与 总纵弯曲的程度可分为强力和轻型两类。 上层建筑整体吊装是指，需要整体吊装的上层建筑内部金属预舾装、术作舾装、 电缆及照明设施等各项工作基本完成的情况下，进行的水上吊装合拢工作。吊装

13、时， 上层建筑整体工作完成量约占全部工作量的80 左右。上层建筑水上整体吊装工艺 在我国应用的时间还不长，在华南地区造船业中尚未实施过，近年来，我国船舶建 造设施、能力、规模得到了大幅度的提高。要高要求、高质量、高效率按期完成新 船的建造，就必须依靠新技术新工艺，而上层建筑整体吊装显然对扩大作业面、改 善劳动强度、提高造船生产率、缩短船舶生产周期、降低造船成本等具有十分重要 的意义1。然而，随着船舶的大型化，提前舾装的程度逐步提高，上层建筑的尺寸、 重量越来越大，刚度则小这使得上层建筑整体吊装变得更加的困难。要实行上层建 筑的整体吊装，必须考虑以下几个方面的因素；结构强度、刚度；船厂设备的吊运

14、 能力；快速定位装置；安全可靠性等3。而以下的三点对吊装的顺利完成具有很重 要的意义：（1）设计合理的吊装方案；（2）对船舶上层建筑进行有限元强度分析, 通过结构有限元数值仿真研究分析不同结构部位的应力与变形，对结构构件进行强 度校核及是否满足上层建筑内的设备、仪器、甲板敷料的要求，对吊装方案进行评 估，分析结构响应的特点用于指导设计、优化吊装方案；根据结构响应的特点提出 合理有效的结构加强措施，从而保障上层建筑吊装的顺利完成；（3）上层建筑结构 吊装时的实际应力与变形的测量，结构强度的有限元分析时对结构进行了不同程度 的简化，通过有限元分析、实际应力与变形的测量详细研究整体吊装时的应力与变

15、3 形，对整体吊装方案提供理论与实验数据支撑4。 目前国内各大船厂都采用了上层建筑整体吊装，但对上层建筑的整体吊装的系 统分析还不够，有待于进一步的加强。吊装前的舾装程度会直接影响生产效率、建 造周期、建造成本等，但舾装程度的增加势必会增加上层建筑的重量，同时也对上 层建筑结构的强度要求也相应提高，因此，在提高舾装程度的同时对上层建筑的结 构进行强度分析是至关重要的。 随着计算机技术的飞速发展，我国多采用有限元分析软件对上层建筑结构强度 进行有限元分析。同时有限元分析软件的发展也很快，我国已引进的主要程序有： SAP ADINA ANSYS ABAQUS MSC/NASTRAN ASKA MA

16、RC 等。这些程序还具备 了前后处理功能，这样，不仅解题的速率提高，还极大的方便了使用者。 国外许多船厂普遍采用上层建筑整体吊装，国外上层建筑的吊装重量比国内较 大，如诺斯罗普.格鲁曼公司承建的美国最新最先进的核动力航母“乔治.HW.布什”号 （CVN 77） ，其 700 吨的岛式上层建筑成功完成吊装。上层建筑整体吊装工艺，尽 管在国内许多船厂已普遍采用，但由于受到船厂起吊能力、搬运设备、场地或吊装 设计水平的限制，仍然局限于尺度较小、上层建筑刚度较强的范围，对超大尺度、 重量较重，刚性较小的上层建筑整体吊装还极少采用，这样的上层建筑还处与分段 吊装阶段，这显然影响了船舶的建造周期，造船成本

17、等。而利用有限元法可以相当 准确并迅速地计算船舶上层建筑结构的某种影响特性,解决过去许多无法解决的问题。 但由于这些计算机流程和程序系统是近几年才发展起来的,使用经验的积累和计算结 果的验证尚不成熟，专业人员也不是很多，想要熟练普遍的运用还需要做许多的工 作。 1.2 研究内容研究内容 本课题是以 176000t 散货船上层建筑结构为研究对象，对该上层建筑的整体吊 装设计合理的吊装方案，学习 MSC/PATRAN 和 MSC/NASTRAN 软件，利用该软件 根据上层建筑的施工图纸对进行上层建筑结构有限元建模、网格划分。根据研究对 象的不同，分为两种工况：上层建筑结构应力与变形；吊排结构应力与

18、变形，分别 进行加载、约束处理、仿真计算、强度分析等，并通过对输出的结果进行分析与研 究，对该散货船上层建筑整体吊装的吊装方案、结构强度特点、临时加强措施等进 4 行分析和总结，并进一步提出优化建议，以保证该上层建筑整体吊装的顺利完成。 第二章第二章 有限元分析软件介绍有限元分析软件介绍 2.1 有限元简介有限元简介 利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简 单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的 真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成 是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的

19、(较简单的） 近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件） ，从而得到问题的 解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于 大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂 形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在 几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求 得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵 近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引 起从事力学研究的科学家的浓厚

20、兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的 快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学 技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对 小的子域中。20 世纪 60 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫 （Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz 法分片函数”，即有 限元法是 Rayleigh Ritz 法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整 个定义域边界条件的允许函数的 Rayleigh Ritz 法，有限元法将函数

21、定义在简单几何 形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数） ，且不考虑整 个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一5。 有限元法分析过程大体分为前处理、分析、后处理三大步骤。 5 在采用有限元法进行连续体结构分析时，首先必须对结构进行离散，形成有限 元网络，并给出与此网络相应的各种信息，如单元信息、节点坐标、材料信息、约 束信息、载荷信息等，这种工作称为原始数据的准备。对实际的连续体经过离散化 后就建立了有限元分析模型，这一过程是有限元的前处理过程。在这一阶段，要构 造计算对象的几何模型，划分有限元网格，生成有限元分析的输入数据。这一步是 有限元分析的

22、关键。利用计算机进行有限元数据的自动生成和图形处理是当今有限 元法研究的一个重要内容，它可以极大地提高工作效率和保证计算数据的正确性。 有限元分析过程主要包括单元分析、整体分析、载荷移置、引入约束、求解约束等 过程。这一过程是有限元的核心部分，有限元理论主要体现在这一过程中。有限元 法包括三类，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， 选节点位移作为基本未知量；在有限元力法中，选节点力作为基本未知量；在有限 元混合法中，选一部分基本未知量为节点位移，另一部分基本未知量为节点力。有 限元位移法计算过程的系统性、规律性较强，特别适宜于编程求解。一般除板壳问 题的有限元法应用一定

23、亮的混合法外，其余全部采用有限元位移法。 有限元分析的后处理主要包括对计算结果的加工处理、编程组织和图形表示三 个方面。它可以把有限元分析得到的数据，进一步转换为设计人员直接需要的信息， 如应力分布状况、结构变形状态等，并汇成直观的图形，从而帮助设计人员迅速地 评价和和校核设计方案。现代计算机丰富的图形处理功能使数据整理方式更加高效， 为直接输出各种图形和表格创造了条件。 有限元法由于其特有的理论和过程，其优点是显而易见的。 （1） 整个系统离散为有限个单元，并将整个系统的方程转换成一组线性联立方程， 从而可以用多种方法对其求解。 （2） 边界条件不进入单个有限元的方程，而是在得到整体代数方程

24、后再引入边界 条件。这样，内部和边界上的单元都能够采用相同的场变量模型，而且当边 界条件改变时，内部场变量模型不需要改变。 （3） 有限元法考虑了物体的多维连续性，不仅在离散过程中把物体看成是连续的， 而且不需要用分别的插值过程把近似解推广到连续体中的每一点。 （4） 有限元法不需要适用于整个物体的插值函数，而只需要对每个子域或单元采 用各自的插值函数，这就使得其对复杂形状的物体也能适用。 6 （5） 有限元法能够很容易求解非均匀连续介质，而其他方法处理非均匀性则很困 难。 （6） 有限元法适用于线性或者非线性场合。 （7） 有限元法能够在不同层面上得到阐释或理解。 另外，有限元法在应用上，也

25、表现出一定的缺点。 （1） 有限元计算，尤其是在对复杂问题的分析上，所耗费的计算资源是相当惊人 的，计算资源包括计算时间、内存和硬盘空间等。 （2） 对无限区域问题，有限元法较难处理。 （3） 尽管现在的有限元软件提供了自动划分网格技术，但到底采用什么样的单元、 网格的密度多大才合适等问题，完全依赖于经验。 （4） 有限元分析所得结果并不是计算机辅助工程的全部，而且一个完整的设计， 不能单独使用有限元分析完成，必须结合其他分析和工程实践才能完成整个 工程设计。 2.2 MSC/PATRAN 软件介绍软件介绍 MSC.Software 公司（NYSE：MNSC）是世界领先的虚拟产品开发（ VPD

26、） 工具供应商，其仿真软件、专业服务以及企业级系统，帮助企业在产品设计、试 验和制造过程中创造财富、节约时间、降低成本。 MSC.Softwae 与全球数百个 行业的数千家企业一道，利用信息技术、软件、 服务和系统，增强他们的产品 开发能力、优化其产品开发流程，以期更快地开发出更好的产品。产品性能的仿 真能够降低开发成本，缩短产品上市周期、并降低维护成本。MSC.Software 是 行业的领导者，为航空航天、汽车、通用机械、医疗、生物力学、铁道、 运 输、消费电子等各行各业的制造企业、研究机构提供仿真技术和相关服务。40 多年来，MSC.Software 始终领导着世界 CAE 的发展方向，

27、营业额雄踞业界首位 ，占据了 40%以上的市场份额，产品获得了各种权威机构的认证，被公认为C AE 的工业标准。在航空业 MSC.Nastran 软件被美国联邦航空管理局 (FAA)认证 为领取飞行器适航证指定的唯一验证软件。在中国，MSC.Software 公司的产品 全面通过了全国锅炉压力容器标准化技术委员会的严格考核认证，作为与分析设 计标准 JB4732-95 相适应的分析软件。在船舶行业 MSC.Nastran 是中国船级社 7 指定的船舶分析验证软件 (CCS.CC(1997)118 附件)，国际船级社协会的 10 个成 员(世界十大船级社 )中有 8 家采用 Nastran 软件

28、作为船舶分析的验证软件，包括 ：美国船级社 ABS、英国劳氏船级社 LR、日本船级社 NK、挪威船级社 DNV 、韩国船级社 KR、法国船级社 BV、德国劳氏船级社 GL、中国船级社 CCS。 MSC/PATRAN 软件是目前工业领域最著名的有限元前、后处理器， 是一个开 放式、多功能的三维 MCAE 软件包，具有集工程设计 、工程分析、和结果评估功 能于一体的、交互图形界面的 CAE 集成环境6。它诞生于 20 世纪 80 年代初期，是 在美国国家宇航局(NASA)的资助下，产生的新一代并行框架式有限元前后处理及分 析仿真系统，其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结果评估、 用

29、户化设计和交互图形界面集于一身，构成一个完整的 CAE 集成环境。通过 Patran ，可以帮助用户实现从设计到制造全过程的产品性能仿真。其具有：鼠标驱动的 M otif 标准图形用户界面；命令过程自动文件记录，记录文件可编辑修改并用于模 型参数化研究；交互的超文本在线帮助系统；数据库不同平台相互兼容；强大的 PATRAN 命令语言(PCL)可使用户开发自己的分析模块和完全集成已有的分析程 序；CAD 模型直接读入； Unigraphics 几何特征读写和编辑功能；独立的几何模 型的创建和编辑工具；完全集成 MSC 的各种分析求解器及外部；第三方的分析 求解器；丰富、高质量的 1D, 2D 和

30、 3D 网格划分器；任意的梁截面库定义； 载荷、边界条件、材料和单元特性可直接施加在几何模型上；可视化的与时间或 温度相关的载荷和材料特性的定义及显示；丰富的结果后处理功能 丰富可调 的色彩显示方案；直接访问材料管理系统MSC/MVISION 中的各种材料数据； 网络浮动 LICENSE 管理等特点。MSC/PATRAN 可快速明了的显示结构、热、 疲劳、流体、及电磁场分析的结果，并能和其它有限元程序关联，Patran 的结 果分别与其有限元网格和节点进行映射。 作为一个优秀的前后处理器，它具有高 度的集成能力和良好的适用性。 2.3 MSC/NASTRAN 软件介绍软件介绍 MSC/NAST

31、RAN 是由 MSC.Software 公司推出的一个大型结构有限元分析软件， 其第一个版本出现于 1969 年，经过几十年的发展与完善，MSC/Nastran 已成为世界 上应用最为广泛的有限元分析软件，它具有很高的软件可靠性和优秀品质，众多大 公司和工业行业都用 MSC/Nastran 的计算结果作为标准代替其它质量规范则。MSC. 8 NASTRAN 是一具有高度可靠性的结构有限元分析软件 , 有着 36 年的开发和改 进历 史, 并通过 50,000 多个最终用户的长期工程应用的验证。 MSC.NASTR AN 的整个研制及测试过程 是在 MSC 公司的 QA 部门、美国国防部、国家宇

32、航 局、联邦航空管理委员会 (FAA)及核能委员会 等有关机构的严格控制下完成的 ,每 一版的发行都要经过 4 个级别、 5,000 个以上测试题目的检验。 MSC.NASTRA N 被人们如此推崇而广泛应用使其输入输出格式及计算结果成为当今CAE 工 业标准,几乎所有的 CAD/CAM 系统都竞相开发了其与 MSC.NASTRAN 的直接 接口, MSC.NAS TRAN 的计算结果通常被视为评估其它有限元分析软件精度的 参照标准,同时也是处理大型工程项目和国际招标的首选有限元分析工具。MS C.NASTRAN 不但容易使用而且具有十分强大的软件功能。 通过不断地完善 , 如增加新的 单元类

33、型和分析功能、提供更先进的用户界面和数据管理手段、进 一步提高解题精度和矩阵运算效益等等 ,使 MSC 公司以每年推出一个小版本、 每两年推出一个大版本的速度为用户提供MSC 新产品。 MSC.NASTRAN 全模块化的组织结构使其不但拥有很强的分析功能而又保证很好的灵活性, 用 户可针对根据自己的工程问题和系统需求通过模块选择、组合获取最佳的应用系 统。此外, MSC .NASTRAN 的全开放式系统还为用户提供了其它同类程序所无 法比拟开发工具 DMAP 语言。 MSC.NASTRAN 对于解题的自由度数、带宽或 波前没有任何限制，其不但适用于中小型项 目对于处理大型工程问题也同样非 常有

34、效, 并已得到了世人的公认。 MSC.NASTRAN 已成功地解 决了超过 5,00 0,000 自由度以上的实际问题。 Nastran 具有良好的用户界面，开放式的结构，全 模块化的组织结构使其不但拥有很强的分析功能而又保证具有很高的灵活性，使用 者可针对根据自己的工程问题和系统需求通过模块选择、组合获取最佳的应用系统 ，使用方便、功能强大。此外，Nastran 还为用户提供了强大的开发工具 DMAP 语 言。作为世界 CAE 工业标准及最流行的大型通用结构有限元分析软件，它具有高度 的集成能力和良好的适用性，从而使得 Nastran 的分析功能覆盖了绝大多数工程应用 领域，其分析功能包括静

35、力分析、模态分析、屈曲分析、热应力分析，动力学分析 、热传导分析、非线性分析、流一固耦合分析、设计灵敏度分析及优化分析、超单 元，气动弹性分析、高级对称分析及数据库管理等。MSC/Nastran 是 MSC/Patran 的 强大计算支持，它具有算法速度快，占用存储空间小等优点，且能有效的求解大的 有限元模型，它率先将工程技术人员从繁重的计算数据准备工作中解脱出来，并能 将计算结果以可视化的方式显示出来，直观而美丽。 目前，MSC/Patran 和 MSC/Nastran 软件已经在我国的汽车、航空、航天、电子、 土木工程、船舶工程、通用机械、兵器、核能、医疗器械、铁道、石油和化工等领 域得到

36、了广泛应用，在国内拥有大量的使用者。 9 第三章第三章 上层建筑基本资料及吊装方案上层建筑基本资料及吊装方案 3.1 上层建筑基本资料上层建筑基本资料 本课题研究的 176000t 散货船上层建筑如图 3-1图 3-2 所示共有七层。自下向上 分别为 A 甲板（A. Deck） 、B 甲板（B. Deck） 、C 甲板（C. Deck） 、D 甲板（D. Deck） 、E 甲板（E. Deck） 、驾驶甲板（NAV. Deck） 、罗经甲板（Compass. Deck） 。 该上层建筑船长方向 15.2 m(Fr27Fr46), 船宽方向 29.7m（该上层建筑左右舷围壁间 距 23.84m）

37、 ，船深方向 20.1m（A.Deck3.3m 、B.Deck2.8m、C.Deck2.8m、D.Deck2.8m、E.Deck2.8m、NAV. Deck 2.8m、Compass.Deck2.8m） 。上层建筑总重量为 650t。各层甲板均采用纵骨架式，在 右舷靠船中设有楼梯通道；肋距 800mm，纵骨间距 810mm；上层建筑结构全部采用 普通碳素钢。 图 3-1 176000t 散货船上层建筑侧视图 10 图 3-2 176000t 散货船上层建筑正视图 3.2 上层建筑吊装方案上层建筑吊装方案 3.2.1 船舶上层建筑整体吊装方案设计流程船舶上层建筑整体吊装方案设计流程 吊排的布置原

38、则如下： （1）吊马安装位置应与分段重心对称； （2）吊马安装位置一般设在分段的纵横骨架交叉处，或者在分段的刚性构件上； （3）吊马安装方向应与受力方向一致； （4）采用落地翻身时，吊马位置应尽可能在分段重心平面内。 船舶上层建筑整体吊装方案设计流程如下： （1）先算出重量和重心； （2）根据重量及吊机能力（最大起重量及高度）确定要参与的吊机数量（单吊机或 双吊机） ； （3）确定吊点（至少 4 个，吊点设在强结构处，如舱壁，强梁处，必要时对附近结 构要进行加强，如加厚的插入板，梁等） ，吊点中心尽量同上层建筑的重心在同一垂 直线上； （4）根据吊机起吊高度确定吊绳长度，不可过短，以免产生大的

39、水平力，夹脚大于 60 度； （5）用有限元软件建模计算吊装强度，一方面校核整个上建的强度和变形，另一方 11 面获得每一吊耳的工作载荷。加载时注意两点：A 要取一定值安全系数来考虑吊装 时动载荷；B 模型的重量和手工计算重量一般有差异，需加系数补偿。对上建底部 开口需加撑杆来抵抗水平力，对形状不对称的上建根据具体情况也可能要加撑杆来 抵抗水平力； （6）吊耳设计。取安全系数，校核吊耳剖面剪切应力、卸扣销对吊耳挤压应力，吊 耳平面外弯曲应力及 MAIN PLATE 和 CHEEK PLATE 间焊缝。 3.2.2 176000 吨散货船上层建筑整体吊装方案吨散货船上层建筑整体吊装方案 本课题所

40、设计的 176000t 散货船上层建筑采取整体吊装方案，如图 3-3图 3-4 所 示，分别在 D. deck FR3235，围壁 D-D 处及 NAV. deck FR3546，围壁 11920 处安 装吊排。 图 3-3 D. deck 吊排安装 12 图 3-4 NAV. deck 吊排安装 在整体吊装方案中均采用 A 型吊环，根据表 3-1 确定吊环的尺寸。吊环结构如图 3-5 所示 图 3-5 吊环正视图和侧视图 江苏科技大学船舶与海洋工程学院 13 表 3-1 A 形吊环尺寸 设计载 荷 t abcdeft1t2t3R1R2R3k1k2k3 重量 kg 要 求 1027080140

41、1001003011.54.8不安装腹 板 15310 5014 10 10 120853511.5 7 9.2单面安装 20360161259013 6 8.512.4 25400 122 27 60145145 18 1212 130951416.1 304402014145110 10 22.5 40510 14075165165 221616513011. 5 29.4 50560150 35 9017517526 13 18185150 457 1340.5 双面安装 腹板 注：单位mm 14 江苏科技大学船舶与海洋工程学院 因为吊排一般设置于外围壁上，故其纵向受力可连续有效地传递，

42、但其横向区 域难以有较强的横向构件，故一般应特别设以T型强横梁贯穿于整个上层建筑宽度方 向，或利用横向舱壁达到力的贯穿传递。另外，为防止吊排附近甲板变形过大，亦 应将附近1 m到15m范围内甲板加厚，因此，吊排所在的D. Deck和NAV. Deck下方 的围壁应采取加强措施，具体如图3-6所示，板的厚度由原来的7mm增加到25mm， 需要注意的是，D. Deck吊排下方的围壁的开孔，在进行整体吊装过程中，为了防止 应力集中，需待上层建筑整体吊装完成后再开，因此建模时，该地方的孔不开。 图 3-6 吊排下方区域加强简图 15 江苏科技大学船舶与海洋工程学院 第四章第四章 上层建筑吊装强度有限元

43、计算上层建筑吊装强度有限元计算 4.1 上层建筑有限元模型上层建筑有限元模型 本课题是以 176000t 散货船上层建筑为研究对象，利用 MSC/Patran 软件建立该 船上层建筑结构有限元模型。如图 4-1图 4-2 所示为该船上层建筑整体结构有限元 模型，图 4-3图 4-16 所示分别为各层甲板结构有限元模型，图 4-17图 4-18 分别为 NAV. Deck、D. Deck 上的吊排结构有限元模型。 在利用 MSC/Patran 软件对该散货船上层建筑进行上层建筑结构建模时，参考中 国船级社船体结构强度直接计算指南7有限元网格尺寸沿船长方向每肋位划分 两个 2 个，船宽方向每纵骨间

44、距划分 2 个，根据尺寸大小，船深方向划分 7 个，其 中，为了很好的对吊排部分进行有限元强度分析，吊排部分要单独进行网格细化， 吊排的下缘每肋位划分 2 个，上缘每肋位划分 8 个，高度方向划分 10 个，圆孔的地 方划分 28 个。建模时长度单位一律采用国际单位米（m） 。有限元模型中的板材均 为平面板，大部分板材采用四节点四边形单元，部分板材根据需要采用三节点三角 形单元；横梁、纵骨、纵桁均采用梁单元模拟。建模时，为了方便修改、查看、分 析，采用分组技术，以各层甲板名为主命名，其下再根据各层甲板结构状况进行子 命名，特殊结构特殊命名，总计 67 个组(Groups)。整个上层建筑结构有限

45、元模型， 共有节点 58392（Nodes）个，单元 50818(Elements)个。建模过程中，根据该散货船 上层建筑施工图纸，许多地方需要开孔，开孔的地方采用删除网格的方法，但是由 于网格多为四节点四边形单元，容易在直角的地方造成应力集中，使得该区域应力 值过大，建模过程中为防止应力过大，在开孔边缘适当增加板厚代替倒圆角。此外， 个别形状复杂的甲板下围壁，为了方便网格的划分以及节点的平衡，稍作适当的偏 移，同时保证对上层建筑整体结构应力分析影响不大。然后定义材料，该散货船上 层建筑全部采用普通碳素钢。接下来定义板厚，添加骨材。所有骨材均加在梁单元 上。模型建完后通过试算来检查有限元模型是

46、否存在问题，能否提交到 MSC/NASTRAN 中进行运算。 16 江苏科技大学船舶与海洋工程学院 图 4-1 176000t 散货船上层建筑整体结构有限元模型（一） 图 4-2 176000t 散货船上层建筑整体结构有限元模型（二） 17 江苏科技大学船舶与海洋工程学院 图 4-3 176000 t 散货船上层建筑 A. deck 结构有限元模型（一） 图 4-4 176000t 散货船上层建筑 A. deck 结构有限元模型（二） 18 江苏科技大学船舶与海洋工程学院 图 4-5 176000 t 散货船上层建筑 B. deck 结构有限元模型（一） 图 4-6 176000 t 散货船上

47、层建筑 B. deck 结构有限元模型（二） 19 江苏科技大学船舶与海洋工程学院 图 4-7 176000 t 散货船上层建筑 C. deck 结构有限元模型（一） 图 4-8 176000 t 散货船上层建筑 C. deck 结构有限元模型（二） 20 江苏科技大学船舶与海洋工程学院 图 4-9 176000 t 散货船上层建筑 D. deck 结构有限元模型（一） 图 4-10 176000 t 散货船上层建筑 D. deck 结构有限元模型（二） 21 江苏科技大学船舶与海洋工程学院 图 4-11 176000 t 散货船上层建筑 E. deck 结构有限元模型（一） 图 4-12 1

48、76000 t 散货船上层建筑 E. deck 结构有限元模型（二） 22 江苏科技大学船舶与海洋工程学院 图 4-13 176000 t 散货船上层建筑 NAV. deck 结构有限元模型（一） 图 4-14 176000 t 散货船上层建筑 NAV. deck 结构有限元模型（二） 23 江苏科技大学船舶与海洋工程学院 图 4-15 176000 t 散货船上层建筑 Compass. Deck 结构有限元模型（一） 图 4-16 176000 t 散货船上层建筑 Compass. Deck 结构有限元模型（二） 24 江苏科技大学船舶与海洋工程学院 图 4-17 176000 t 散货船上

49、层建筑 NAV. deck 上吊排结构有限元模型 图 4-18 176000 t 散货船上层建筑 D. deck 上吊排结构有限元模型 25 江苏科技大学船舶与海洋工程学院 4.2 上层建筑整体吊装计算工况上层建筑整体吊装计算工况 本课题研究 176000t 散货船上层建筑结构在吊装过程中承受自身重力作用下的应 力与变形，以及吊排结构在吊装过程中的应力水平。因此，可以根据研究对象的不 同，将计算工况分为以下两种：（1）分析上层建筑结构应力与变形；（2）分析吊 排结构应力水平。 4.2.1 工况一：分析上层建筑结构应力与变形工况一：分析上层建筑结构应力与变形 （1）载荷 上层建筑所受的自身重力，总重量为 650t 1.2=780t 作为计算值（其中 650t 为上 层建筑重量，1.2 为安全系数） ； （2）边界条件 D. Deck 与 NAV. Deck 上左舷吊排上缘约束 x、y、z 三方向的位移；右舷吊排 上缘约束 x、z