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1、船舶建造工艺力学吊装曲先强,Harbin Engineering University,2010年2月24日,船台总装工艺 现代造船模式与传统造船模式在模式特征、设计方式、生产方式、管理方式上都截然不同。现在造船模式下的船厂实行总装化造船，总装化造船现代造船发展的必由之路。现代造船模式下的船舶建造工艺，船体总装工艺都与传统的造船流程有很大的区别。1船舶建造工艺流程 船舶为了满足性能和使用要求，其外形和船体结构非常复杂，如何能将这些复杂的结构通过若干的工艺阶段建成完整的船体，是船舶建造工艺解决的重点。造船工艺一般分为船体建造工艺和舾装工艺两大类。后来，于船舶大型化导致涂装工程大量增加，质量要求不
2、断提高，涂装技术得到迅速发展，从而促使涂装作业从舾装作业中分离开来，形成了独特的涂装生产作业系统;,船台总装工艺,同时也把造船工艺分为船体建造、区域舾装和区域涂装三大工艺流程，在设计和建造过程中对舾装和涂装进行统筹安排。随着现代信息技术的不断发展，造船模式不断的改进，形成了以高度总装化为特征，以精益生产为核心的现代造船模式。现代的造船方法也发展为以区域为基础，将建造、舾装和涂装三种类型的作业相互协调有机结合组织生产，形成壳、舾、涂一体化建造技术。现代造船模式下船舶建造的工艺流程图如图所示。,船台总装工艺,船台总装工艺,2船台总装工艺 船体结构经过预装配而形成分段或总段后，需要调运到船台再进行装
3、配焊接形成整个船体，即船体的总装，也称大合拢。船舶总装是在部件装焊、分段装焊、总段装焊及舾装、涂装的基础上，在船台完成船舶整体装焊和舾装、涂装的工艺阶段，它对保证船舶的建造质量，缩短船舶的建造周期有着直接的关系。船台分为纵向倾斜船台，水平船台，造船坞三种类型，目前大中型分段均使用造船坞作为总装的场地。船台总装的方式(也称为建造法)也根据船舶的类型和船厂的实际生产条件的不同而不同，如图所示为塔式建造法的船台吊装顺序,船台总装工艺,船台大合拢是船舶建造的最终阶段，船台大合拢计划是所有材料/零部件加工、制作、装配、分段合拢、分段预舾装、分段涂装作业计划的依据。船台大合拢日程作业计划的内容包括:铺龙骨
4、/分段定位、分段吊装、船体对接装配、船体对接焊接、搭脚手架、机电设备/大型舾装件安装、电缆敷设、涂装、外观检验、舱室密性试验、拆除脚手架、设备初步系泊试验等。船体大合拢阶段是各个专业立体交叉的作业，需要安排周密的作业计划，同时需要打破各专业的界限，实行现场区域的统一管理。船体大合拢计划必须根据船厂的生产条件，如起重能力，场地面积等，进行综合优化后确定。,船台总装工艺,船体分段吊装是指在船台上，使用起重设备，焊机等一些辅助设备将大型船体分段吊运到指定的位置并进行焊接装配的过程。由于需要吊装的分段体积和质量较大，吊装过程会涉及大量的人力、物力等资源的协调使用，吊装过程中资源的合理配置显得尤为重要。
5、船台(船坞)是船厂实现分段吊装的主要场地，因此船体分段吊装有时也称为船台吊装，船台的数量和尺度是决定船厂生产能力的主要依据。船台的生产能力决定船厂每年的生产量，因此，船厂总是最大限度地发挥船台的能力，通过优化船台吊装顺序，合理安排资源的使用情况，可以有计划地缩短船台周期。,船体分段吊装,船体分段吊装,船体分段吊装,船体分段吊装,船体分段吊装,船台吊装主要有以下一些特点:(l)需要吊装的分段质量大、体积大。在船台的吊装过程中包含许多分段和总段，这些分段的质量和体积都非常大，占用场地面积大，对吊车的起吊能力要求非常高，通常还需要其它一些辅助设备刁能顺利完成吊装。(2)工作密集集中。船体分段的吊装都
6、在船台上完成，船台上存在着分段的起吊、运输、焊接以及资源的运送等多工作的同时进行，而船台的面积是有限的，这使得船台上的工作十分密集，一旦某一环的工作出现停滞，就会对其它工作产生很大的影响。,船体分段吊装,(3)需要资源数量种类多。由于分段质量体积大，在进行搬运、吊装、焊接时就需要大量的人力、起重设备以及其它资源来共同协作才能完成。同时，在吊装完成后，还要进行分段焊接工作，这更加大了资源的使用数量。因此，要求船体分段吊装计划的制定必须能够很好的协调各种资源的利用，避免发生资源冲突，或资源等待状态。(4)吊装过程复杂。船台的吊装计划是制定造船计划的主要依据，吊装过程不但涉及多资源的综合利用，而且直
7、接影响到车间的分段装配、预舾装、小分段合成大分段等作业的日程计划。因此，要求船体建造部门必须对船台分段吊装进行周密的计划，确保船舶建造的顺利进行。,船体分段吊装,分段吊装研究问题：1、合理吊装顺序；2、吊点的设计；3、强度校核；4、变形控制、吊点与吊环加强。,船体分段吊装,合理的吊装方式可以提高船台利用效率，缩短船台周期。虽然对不同的情况所选择的建造方法不同，但是在一个建造区域的分段吊装顺序和分段定位固定方法却是相同的。塔式建造法是目前各船厂普遍采用的船台吊装方法，右图所示即采用塔式建造法分段的基本吊装顺序。,船体分段吊装吊装顺序,使用该方法的分段吊装顺序和基本装焊工艺详细描述如下:(l)吊装
8、基准分段(底部分段);(2)吊装基准分段上的舱壁分段和前后的底部分段;(3)吊装舷侧分段，向艏、艉方向继续吊装底部分段和舱壁分段(4)吊装甲板分段，继续吊装底部分段、舱壁分段和舷侧分段。(5)继续向艏、艉方向吊装底部分段、舱壁分段、舷侧分段和甲板(6)吊装艏、艉分段。(7)吊装及焊接上层建筑，并进行舾装作业。,船体分段吊装吊装顺序,在吊装时还要注意以下事项:(l)使用吊车吊装时，每天吊装的分段个数要均衡。(2)所构建的起吊顺序能够使船体不会发生变形，保证建造精度(3)要保证分段的供应量充足，不应出现过多分段积压现象。(4)各分段吊装顺序间隔要考虑到舾装和涂装作业。,船体分段吊装吊装顺序,船体分
9、段吊装吊装顺序,为了确保吊装的顺利进行，必须根据工程实际情况，有针对性的编制专项吊装程序。基本程序和要求如下：1.上建结构和舾装结束后，定位总段外围壁的基准线，必须加强的构件及定位装置等也应完成。2.起吊前，拆除全部总段与胎架的定位焊和临时连接件，装好起重索具，龙门吊吊钩对准吊马。,船体分段吊装吊装顺序,3.对总段进行试吊，当总段提升200mm时，认真检查钢索、吊马、加强材的受力情况，若有问题应立即将总段放回胎架，进行分析调整，然后再进行试吊，直至安全可靠，方可正式吊起安装。4.总段应提升一定高度，然后按规定路线将上建缓慢吊至船上安装位置处，缓缓下降距上甲板400mm处暂停，调整总段位置，安装
10、临时定位工具（花兰螺丝和油泵等）。5.定位总段，测量四角水平，围壁下缘空隙等。6.总段定位焊结束后，拆除临时加强和吊马。,船体分段吊装吊装顺序,吊点设置的合理，可以使得整体吊装的上层建筑受力更为均匀合理，充分发挥起重设备的起吊能力，确保吊装的顺利进行。一般吊点设置要求如下：1.尽可能对称于上层建筑的重心布置，使得各吊点受力比较均匀，减少上建的变形。选择吊点时要考虑结构布置的匀称，一般应在长宽方向的1/4处，对称于重心，若满足不了则尽量缩小偏移。,船体分段吊装吊点的设计,2.应在纵横连续强构件的交汇点上，并于左右围壁或前后端壁的延伸部分，吊点还应设置在上下有连续性的构件上：使受力面扩大，使受力传
11、递分散，以减少应力。3.应使吊索与甲板水平面的夹角大于60度，并尽可能增大，这样能减小绳索的张力，使甲板的受力状况得到改善 。4.应便于吊环的装焊和拆除。,船体分段吊装吊点的设计,船体分段吊装吊点的设计,吊装分段重量重心计算：根据划好的上建总段，具体计算出每个总段的性数据，即船体结构的重量重心、大型备的重量重心、非船体结构(需要放人段的栖装件和脚手架等)重量重心。在计算时，我们假设非船体结构重心与每个段的结构重心重合。表1列出了四个总段结构重量和总段重量,船体分段吊装吊点的设计,根据详细建造计划书的要求，在总段组合时，我们必须采取措施控制总段中的预舾装范围，从而控制总段在吊装时的变形。因此，在
12、总段组装时，根据每个总段不同的结构特点，要完成管子、铁舾件补装，风管、木作构架安装，电缆托架、电器固定件补装，门窗安装等。总段整体涂装后还要进行局部电缆的拉放和电梯围井绝缘敷设，卫生间单元也随层进行清空吊装。舾装的大型设备重量比较容易计算，而像管子、铁舾件、风管、木作等非船体结构重量，在总段吊装时计算比较困难:我们根据以往的经验，把上述这些构件和必要的脚手架等的总重量按其总段船体结构重量的0.35倍进行估算，从而得出总段的总重量。,船体分段吊装吊点的设计,对于船体分段的吊装通常设四个吊点，这种情况受力比较简单，对于整段上层建筑来说，由于其刚度较小、尺寸较大、重量较大，若采取该种方式布置吊点势必
13、会引起：吊点位置太少、结构尺寸太大，结构整体的变形过大；结构重量太大、吊点位置较少、吊点局部结构较弱，吊点位置的局部应力过高。在总段的驾驶甲板两侧设四个吊点，由主钩承受总段的全部重量;在罗经平台的前端设两个吊点，为副钩调节总段前后倾斜用。为了使吊点受力均布分散，主钩每个吊点设4孔长吊环，使每孔吊环可承受25吨负荷。副钩每个吊点设承受25吨的单孔吊环。,船体分段吊装吊点的设计,综合分析该船的结构特点、吊装能力，根据以往吊装经验确定了该上层建筑的整体吊装吊马的形式及布置。吊点布置在结构刚度最强的左右舷围壁上，吊马位置的局部结构的强度将有所保障，同时不会引起吊马附近结构过大的局部变形；有利载荷的传递
14、，结构的整体位移相对较小；吊马上的三角肘板可以在一定程度上增加吊马承受平面内弯矩的能力，有利于吊装安全。,船体分段吊装吊点的设计,将分段看成长方形箱型立体结构，其长、宽、高的尺寸大体相近，且纵、横向主要构件上下对齐，具有连续性，有利于力的传递，这样的组合结构使得总段有较高的强度。 板架的模拟计算图:由于甲板室在整吊过程中，受力情况比较复杂，为简便运算，将其假设为一个板架。,船体分段吊装强度校核,板架的临界载荷计算:板架计算的构件参数:,船体分段吊装强度校核,船体分段吊装强度校核,船体分段吊装强度校核,每组吊环处有三根横梁承受载荷，故每根横梁承受的压应力为:,船体分段吊装强度校核,船体分段吊装强
15、度校核,船体分段吊装强度校核,船体分段吊装强度校核,船体分段吊装强度校核,上层建筑结构强度是完整性整体吊装技术成功实施的关键因素。采用有限元技术来分析上层建筑在整体吊装时结构的应力和变形，并分析在整体吊装时上层建筑结构应力和变形的共性特点。几何建模是网格划分的基础，它对分网过程和网格形式都有直接影响，所以在建几何建模时对原有结构进行合理的形状简化、变换和处理，既能保持一定的精度，又能使分网和计算过程大为简化。,船体分段吊装强度校核,在CAD技术中，几何模型可以分为线模型、曲面模型（包括平面模型）和实体模型三种形式。上层建筑由甲板、甲板横梁、甲板纵桁、围壁及围壁扶强材构成，甲板、围壁及强桁材采用
16、平面模型。平面模型与实体模型相比，平面模型的数据结构简单，数据存储量少，操作运算方便，在有限元建模中，平面模型用于二维单元自动划分。甲板横梁和围壁扶强材简化为线模型。线模型数据量更少，数据结构更简单，算法处理方便，模型输入可以通过定义线段端点坐标来实现。线模型主要用于干梁系统一维单元的自动划分。,船体分段吊装强度校核,中国船级社船体结构强度直接计算指南中规定：1船体构件的有限元网格沿船体纵向按肋距划分，沿船体横向按船底纵骨间距划分，舷侧也应按肋距划分。2船体的各类板、壳构件，强框架、纵桁、平面舱壁的桁材等的高腹板以及槽型舱壁用四节点板壳单元模拟，尽量少用三角形单元。对于承受水压力的甲板、内外底
17、板上的纵骨、舱壁的扶强材等用梁单元模拟，肋骨和肘板等用杆单元模拟。,船体分段吊装强度校核,参照以上规定，上层建筑几何模型中各构件的单元类型和网格划分如下：甲板、围壁及强桁材的平面模型采用板单元。板单元可进行静力和动力分析，其网格为平面图形，形状有三角形和四边形两种。三角形单元的边界适应能力强，常用于曲面边界的离散，有时也用于不同大小四边形单元的过渡。四边形单元多用于形状比较规则的结构，其精度要高于同阶次的三角形单元。所以甲板、围壁及强桁材的平面模型采用四边形板单元。甲板横梁和围壁扶强材的线模型采用梁单元模拟。梁单元也可以进行静力和动力分析。平面梁单元上可以施加的载荷包括节点力、节点力矩、棱边轴
18、向分布力、棱边轴向分布扭矩等。梁单元仅限于分析各项同性材料，单元可以输出位移、应力、应变、应变能、单元力和约束反力等计算结果。,船体分段吊装强度校核,通过定义全船结构有限元模型中构件单元的尺寸和密度，可以由程序自动计算船体结构构件钢材自重；居装件的重量主要是甲板敷料的重量，居装重量以分布力的形式施加到Nav.Bridge Deck、C Deck、B Deck、A Deck四层甲板上；其余重量相对较小，以密度的形式均匀施加于结构。调整结构的重量重心，使其与实际结构的重量重心相一致。由于吊点布置数量较多，在有限元模型中约束处理采用吊环围壁上缘约束x、y、z三方向的位移；右舷吊环围壁上缘约束x、z三
19、方向的位移。在计算分析结构在在吊装前由于重力作用引起的结构响应时，有限元模型的约束处理采取A甲板下纵横围壁下缘完全刚性约束，即约束x、y、z三方向的平动和转动。,船体分段吊装强度校核,在整段吊装结构强度有限元分析中，吊马结构的有限元网格较为粗，不能详细的反映吊马结构的应力与变形特征，要详细了解吊马结构的应力与变形特征需要对吊马结构单独建立局部细化模型，进行强度分析。,船体分段吊装强度校核,一些吊码布置在非强力结构上的区域，吊装前后的变化值较大，仔细分析这些变形大的区域，我们发现主要是由于吊码布置在非强力结构上造成的。围壁结构的控制变形措施方案一：永久加强，增大围壁变形最大位置处扶强材尺寸。方案
20、二：局部加强，在围壁变形最大位置处的两个扶强材的底部加两根L100 x75x7的角钢，此角钢在吊装后可割去也可保留。,船体分段吊装变形控制,船体分段吊装变形控制,甲板结构的控制变形措施各层甲板面因起吊引起的变形最大位置一般位于：加班中部，横梁跨局较大处，现以上层建筑B甲板为例进行计算分析，拟采用三种加强方案。方案一：增设支撑，在变形最大处(Fr43船舯、Fr43右舷距中4.92m)加两根支柱100 x10，待吊装结束后在割除。方案二：增加短纵桁，在变形最大处(Fr38Fr47左舷距舯1.23m,右舷距舯3.69m)加三根短纵桁，规格为L11x300/16x90.方案三：增大横梁尺寸，将变形最大
21、处的横梁(Fr42和Fr44)改为强横梁，改变后的规格为L11x300/16x90。,船体分段吊装变形控制,吊环的结构形式(1)种接吊环:将吊环直接焊在甲板上。此种吊环制造、安装都比较方便，但对焊接的要求较高，任何焊接缺陷将对上层建筑整吊的安全性产生不同程度的直接影响。上海船厂建造的16000吨多用途货船“鲁班”号、“张衡”号，由于甲板伸出围壁20毫米，因此采用此种形式吊环;丹麦B&W公司的船厂也采用过该种吊环。(2)搭接吊环:将吊环搭焊在上层建筑的围壁上。这种吊环形式，丹麦B&W造船厂曾采用过。它的特点是制造安装均比较方便。吊运时，焊缝承受较大的剪切力，因此应保证有足够的焊缝长度与焊脚高度。
22、为了增加焊接长度，苏联介绍过折曲焊缝的吊环形式。另外，割除这种吊环比较困难，可能还会造成上层建筑围壁的变形，甚至损伤围壁，烧坏木质艇装件，因而对预舾装将带来一些麻烦。,船体分段吊装变形控制,船体分段吊装变形控制,(3)将吊环穿过甲板、然后再与甲板及加强构件或甲板室结构焊牢。此种吊环装焊比较困难，而且需要临时加强。(4)将上层建筑围壁板延伸制成吊环。此种吊环比较安全，且吊装结束后，切除吊环时不影响上层建筑围壁及其内部安装部件。但此种吊环较前述第一、第二种吊环使用材料多。上海船厂在整体吊装12000吨集装箱多用途货船的甲板室时，采用了此种吊环形式。,船体分段吊装变形控制,船体分段吊装变形控制,船体
23、分段吊装变形控制,船体分段吊装变形控制,吊环制作时，应注意如下几个问题:(1)采用第一与第二种吊环时，应对焊缝进行检查，必要时得进行无损探伤;同时对焊缝长度与焊脚高度进行强度校验，以确保安全。(2)吊环装卸扣孔应采用机械加工方法制作，保证孔面光洁度，孔端应倒角或制成小圆角，以免卸扣销子在吊装过程中受到不必要的损伤。(3)为使力通过吊环分散到上层建筑结构上，采用吊环组为好，吊环组的两侧应制成倾斜式，以利于力的传递。,由于总段的外形尺寸较大，而其结构与强度又较弱，所以在整体吊装时如何保证总强度和局部强度必须慎重考虑。尽管这些区域变形相对来说比较大，但经过局部火工矫正之后，基本能够恢复到建造误差范围以内。,船体分段吊装强度校核,
