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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43III 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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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 ADI
15、NA ANSYS 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，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
