毕业设计论文散货船上层建筑整体吊装强度有限元分析

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1、本 科 毕 业 设 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FE analysis of complete lifting and mounting of bulk carrier superstructure 摘 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

2、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： 上层建筑；吊装；有限元； Abstract Ship superstructure integral hoisting is a new technology of shipbuildi

3、ng. 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 the superstructure is also growing, how to overcome th

4、e 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 scheme of lifting, using MSC/Patran and MSC/Nastran, fin

5、ite 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 hang row structural strength analysis, and the numerical

6、 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 optimizeKeyword: Superstructure, Lifting，Finite element目 录第一章 绪 论11.1研

7、究意义及背景11.2研究内容3第二章 有限元分析软件介绍42.1 有限元简介42.2 MSC/PATRAN软件介绍62.3 MSC/NASTRAN软件介绍7第三章 上层建筑基本资料及吊装方案93.1上层建筑基本资料：93.2 上层建筑吊装方案103.2.1 船舶上层建筑整体吊装方案设计流程103.2.2 176000吨散货船上层建筑整体吊装方案11第四章 上层建筑吊装强度有限元计算154.1 上层建筑有限元模型154.2上层建筑整体吊装计算工况254.2.1 工况一：分析上层建筑结构应力与变形254.2.2工况二：分析吊排结构应力水平254.3 上层建筑结构应力与变形264.4 吊排结构应力3

8、64.5 吊装方案强度分析结论及优化建议38第五章 船舶上层建筑整体吊装的工艺的未来及展望40结 语41致 谢42附 录43参考资料43第一章 绪 论1.1研究意义及背景 船舶上层建筑是指位于上甲板以上，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

9、，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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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 A

15、NSYS ABAQUS MSC/NASTRAN ASKA MARC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

16、，这显然影响了船舶的建造周期，造船成本等。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 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

17、与变形，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 有限元分析软件介绍2.1 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(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(

18、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

19、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

20、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。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

21、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

22、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，

23、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。（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）

24、 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MSC.Software公司（NYSE：MNSC）是世界领先的虚拟产品开发（VPD）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

25、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，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CAE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

26、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

27、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Motif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

28、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 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，

29、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MSC/NASTRAN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.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

30、用户的长期工程应用的验证。 MSC.NASTRAN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.NASTRAN 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。MSC.NASTRAN不

31、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

32、用于中小型项 目对于处理大型工程问题也同样非常有效, 并已得到了世人的公认。 MSC.NASTRAN已成功地解 决了超过5,000,000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

33、功能包括静力分析、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了广泛应用，在国内

34、拥有大量的使用者。第三章 上层建筑基本资料及吊装方案3.1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），船深方向20.1m（A.Deck3.3m 、B.Deck2.8m、C.Deck2.8m、D.Deck2.8m、E.Deck2

35、.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图3-2 176000t 散货船上层建筑正视图3.2 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吊排的布置原则如下：（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

36、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

37、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本课题所设计的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

38、寸。吊环结构如图3-5所示图3-5吊环正视图和侧视图表3-1 A形吊环尺寸设计载 荷tabcdeft1t2t3R1R2R3k1k2k3重量kg要 求10270805014010014101003011.574.8不安装腹板153101222714514510120853511.569.2单面安装20360601612121259045138.512.4双面安装腹板2540018130951471016.130440140357516516520131414511022.540510221616513011.529.4505601509017517526181851501340.5注：单位mm因

39、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，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第四章 上层建筑吊装强度有限元计算

40、4.1 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

41、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

42、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否存在问题，能否提交到MSC/NASTRAN中进行运算。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

43、体结构有限元模型（二）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）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散货船上层建筑B. deck结构有限元模型（二）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）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. dec

44、k结构有限元模型（二）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 176000 t散货船上层建筑E. deck结构有限元模型（二）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）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）图4-17 176000 t散货船上层建筑NAV. deck上吊排结构有限元模型图4-18

45、 176000 t散货船上层建筑D. deck上吊排结构有限元模型4.2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（1）载荷 上层建筑所受的自身重力，总重量为650t1.2=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；

46、右舷吊排上缘约束x、z三方向的位移。 4.2.2工况二：分析吊排结构应力水平（1）载荷 如图4-19所示吊排上共有28个吊孔，每个孔中上方左右30度各3个吊点共168个吊点，每个吊点按4.65t的载荷计算。载荷简化处理，可以以集中力（Force）的形式加到每个吊点上。图4-19 吊环（2）边界条件 上层建筑结构A. Deck所有围壁下缘约束x、y、z三方向的位移。 4.3 上层建筑结构应力与变形在工况一的条件下，将已完成的有限元模型提交到MSCNastran进行计算，计算结果及数据如图4-20图4-36所示，其中：图4-20、图4-21所示分别为该上层建筑吊装时引起的结构应力云图与变形云图，图

47、4-22图4-36所示分别为各层甲板结构的应力云图。该上层建筑结构应力与变形结果汇总见表4-1。 图4-20 吊装引起的上层建筑结构应力云图（一）图4-21 吊装引起的上层建筑结构应力云图（二）图4-22 吊装引起的上层建筑结构变形云图图4-23 吊装引起的A. Deck结构应力云图 (一)图4-24 吊装引起的A. Deck结构应力云图 （二）图4-25 吊装引起的B. Deck结构应力云图 （一）图4-26 吊装引起的B. Deck结构应力云图（二）图4-27 吊装引起的C. Deck结构应力云图 （一）图4-28 吊装引起的C. Deck结构应力云图 （二）图4-29 吊装引起的D. D

48、eck结构应力云图 （一）图4-30 吊装引起的D. Deck结构应力云图 （二）图4-31 吊装引起的E. Deck结构应力云图 （一）图4-32 吊装引起的E. Deck结构应力云图（二）图4-33 吊装引起的NAV. Deck结构应力云图 （一）图4-34 吊装引起的NAV. Deck结构应力云图 （二）图4-35 吊装引起的Compass. Deck结构应力云图 （一）图4-36 吊装引起的Compass. Deck结构应力云图 (二)表4-1 176000 t散货船上层建筑结构应力与变形结果甲板最大应力(Mpa)许用应力（Mpa）位置最大变形（m）A. Deck246235Fr27甲

49、板与甲板下两侧围壁相交的直角区域0.593B. Deck157235Fr27甲板与甲板前缘延伸甲板交接的区域C. Deck47.7235Fr33甲板与中间围壁交接的直角区域D. Deck58.7235Fr32甲板在吊排下方内侧开口的直角区域E. Deck84.7235Fr35甲板电梯开口的直角区域NAV. Deck152235Fr32甲板两端三角大开口转角区域Compass. Deck92235Fr36甲板与中间的围壁交接的区域4.4 吊排结构应力在工况二的条件下，将已完成的该上层建筑有限元模型提交到MSCNastran进行分析计算，计算结果及数据如图4-37图4-40所示，其中：图4-37所

50、示为NAV. Deck上的吊排结构应力云图。图4-38为NAV. Deck上的吊排结构详细应力云图、图4-39为D. Deck上的吊排结构的应力云图、图4-40为D. Deck上的吊排结构的详细应力云图。吊排结构应力结果汇总见表4-2。 图4-37 NAV. Deck上吊排结构应力云图图4-38 NAV. Deck上吊排结构详细应力云图图4-39 D. Deck上吊排结构应力云图图4-40 D. Deck上吊排结构详细应力云图表4-2 176000t散货船吊排结构应力结果吊 排最大应力（Mpa）许用应力（Mpa）位置NAV. Deck68.4235Fr38+400D. Deck146235Fr

51、33+4004.5 吊装方案强度分析结论及优化建议综合表4-1及表4-2结果分析可以看出，该散货船上层建筑在整体吊装的过程中最大应力如图4-41所示，由于在结构建模时对该上层建筑模型进行了部分简化处理，该区域的肘板被简化掉了，从而导致该区域的应力值稍大于许用应力值，在此区域增加肘板能够使得该区域应力值减小，低于最大许用应力。除此，别的区域最大应力值均小于最大许用应力值，比较合理。吊排结构所承受的最大应力值为146Mpa，远小于许用应力值，比较合理。综上所述，该散货船上层建筑整体吊装的吊装方案比较合理，该上层建筑结构强度满足吊装强度要求，整体吊装能够顺利完成。图4-41 吊装引起的A. Deck

52、结构应力详图第五章 船舶上层建筑整体吊装的工艺的未来及展望船舶是复杂的水上工程建筑物，是大型综合性工程，有“水上活动城市” 之称。2008年之前，我国船市一片大好。2008年随着金融风暴的袭击，船舶行业受到了很大的打击，许多船厂接不到新的订单，更有的遭到退单。同年，温家宝总理参观了上海外高桥船厂，温总理鼓舞员工们说：“只要有海的地方就需要船。”是的，整个地球，海洋的面积占据78%，随着科学技术的发展，陆地终有一天满足不了人类的生存空间，人类必然会向海洋发展，如此，对船舶的要求会越来越大。通过使用先进的造船工艺可以提高船舶质量，降低生产成本，缩短施工时间，这是船舶行业经济发展到一定阶段的必然结果

53、和要求。改进造船工艺水平是提高船舶质量，降低生产成本的主要手段8。船舶上层建筑整体吊装作为船舶制造中的一项新的工艺，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，给我国的造船行业带来了很大的方便。然而，由于受到船厂起吊能力、搬运设备、场地或吊装水平的限制，船舶上层建筑整体吊装仍然局限于尺度小，刚度大的船舶上层建筑，对于一些尺度大，重量大的船舶上层建筑仍然采用老的分段吊装方法，这无疑会对船舶建造水平的提升有很大的影响，如此可见，船舶上层建筑整体吊装这项新的工艺如今还只是一些大的船厂在用，还没有受到广泛的应用。科技是发展的动力，时代在进步，船舶行业的前景

54、也是一片光明，造船设施也越来越先进，随着船厂起吊能力、搬运设备、场地或吊装水平的不断增加，参与整体吊装的船舶上层建筑尺度越来越大，重量越来越重，刚性越来越小。目前，国内绝大部分船舶公司多采用有限元分析软件对船舶上层建筑整体吊装进行有限元强度分析，随着计算机的飞速发展，有限元分析软件的发展也很快，这为上层建筑整体吊装前的强度分析带来了很大的方便，为船舶上层建筑整体吊装方案提供理论与实验的数据支撑。在不久的将来，有限元分析软件会更加的普遍，使用起来会更加的方便。利用有限元软件对船舶上层建筑整体吊装强度进行有限元分析会更加的方便、普通、快速，分析的结果会更加的准确。结 语本课题以176000t散货船

55、上层建筑结构为模型，利用MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN软件分别对该上层建筑的整体吊装强度以及吊排结构强度进行有限元分析，通过对计算结果的分析研究我们可以发现，该散货船上层建筑整体吊装方案较合理，该上层建筑结构强度以及吊装过程中所使用的吊排结构强度满足强度规范要求。通过这对这个课题的分析研究发现设计一个合理的吊装方案是保证船舶上层建筑整体吊装能够顺利完成的重要组成部分。在吊装过程中，吊排所在的甲板区域以及甲板下方围壁区域所受的应力值比别的区域较大，因而在该区域应采取加强措施，同时，为了防止开口部分应力集中，该区域的所有开口均在整体吊装完成后再单独进行开口。同时，选择合适的吊排也很重

56、要，吊排与吊绳接触的点所受应力值较大，应采取加强措施。致 谢 附 录参考资料1 张延昌，王自力，罗广恩。船舶上层建筑整体吊装强度有限元分析J。船舶工程，2006，28（3）；70-732 熊仕陶 船舶概论M 哈尔滨工程大学出版社 2006年出版3 余林波，黄其柏，张永波，等。双层浮筏隔振系统筏体结构与隔振特征的研究J。噪声与震动控值，2007（4）7-94 30万吨FPSO上层建筑分段吊装强度有限元分析J。江苏科技大学船舶与海洋工程学院J。2006 7-65 刘兵山，黄聪，等。Patran从入门到精通J。北京：中国水利出版社；20036 邓凡平 有限元分析自学手册 人民邮电出版社7 船体结构强度直接计算指南 中国船籍社 2003.58 周波 船舶相关工艺的应力与变形问题研究J 大连理工大学 20099 船体分段吊装工艺，江苏船舶，1990（2）10 吴仁元 谢祚水 李治彬 船体结构M 国防工业出版社