82000 t系列散货船上建烟囱整吊方案设计.pdf

2023 年 32 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application82 000 t 系列散货船上建烟囱整吊方案设计隆俊，胡晨，魏子钧（中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214433）中船澄西船舶修造有限公司（以下简称“公司”）新承接的 82 000 t 系列散货船，是经过设计院各项优化的第四代船型，其在载货量、产品性能、环保等方面都得到了进一步提高。此前建造的旧型船均采用上层建筑与烟囱分开建造、吊装的形式，有着建造周期长、总段舾装完整性差等一系列痛点。随着建模 2.0 及工序前移的深入推进，船舶总段要求愈来愈大型化，总段的舾装完整性要求更高1。经公司各部门讨论决定，新一代船型采用上建烟囱整体吊装的形式。1总段概况介绍船舶大型化及预舾装程度的提高，使得上层建筑整体尺寸与重量越来越大，刚性越来越小，因此上建烟囱总段的整体吊装变得更加困难2。设计将该型船的上建与烟囱共计10个分段合并为一个总段，同时将驾驶室舷墙、雷达桅杆、物料吊、救助艇吊、锅炉和排烟管等大型构件及设备一并安装到位。除最下层外，其余每层的复合岩棉板、甲板敷料、家具及油漆等均应施工完成。脚手架、施工设备、工具等在吊装前均需吊离总段。整个总段外形最大尺寸为长度方向23.8 m，宽度方向32.26 m，高度方向28.41 m（包含雷达桅杆）。该型船的上建烟囱总段整体设计重量约为688.28 t，总段重心长度方向于FR22+587 mm，宽度方向于右舷距中354 mm（右舷为负），高度方向于B甲板向上1 617 mm。详细的重量重心数据见表1。表 1上建烟囱总段重量重心表第一作者简介：隆俊（1981-），男，工程师。研究方向为船舶建造工法设计。摘要：该文主要介绍新一代 82 000 t 系列散货船的上建烟囱总段合并建造及吊装的可行性方案设计，并简述设计过程中出现的若干焦点问题及解决方案，最后借用吊装分析软件对上建烟囱总段整体吊装方案进行仿真验证，保证上建烟囱总段的强度与刚度符合建造要求。通过上述的研究方法，上建烟囱总段的结构形式得到进一步的优化，受力薄弱区域得到进一步加强，吊装实践过程的安全性与可靠性得到进一步增强，为顺利交船甚至提前交船打下坚实基础。关键词：完整性；合并建造；吊装；结构加强；仿真验证中图分类号院U671文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤32-0员猿圆-0源Abstract:This paper mainly introduces the feasible scheme design of the combined construction and hoisting of the upperchimney section of the new generation 82 000 ton series bulk carrier,and briefly describes some focus problems and solutions inthe design process.Finally,the hoisting analysis software is used to simulate and verify the overall hoisting scheme of the upperchimney section to ensure that the strength and stiffness of the upper chimney section meet the construction requirements.Throughthese research methods,the structural form of the total section of the upper chimney has been further optimized,the weak areahas been further strengthened,and the safety and reliability of hoisting practice have been further increased,so as to lay a solidfoundation for smooth delivery or even early delivery.Keywords:integrity;combined construction;hoisting;structural reinforcement;simulation verification专业名称重量/t重心X/mm重心Y/mm重心Z/mm结构专业378.52FR21+136-1034 382舾装专业181.7FR25-238-45130 657管子专业87.86FR17+773-20929 104电气专业30.2FR24+97-35930 195吊耳及加强10FR22+587-35429 767汇总688.28FR22+587-35429 767DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.033132-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 32 期2吊装方案设计2.1设备及方案本次总段的吊装采用公司 1 600 t 大浮吊进行，用4只400 t的大浮吊主钩进行联合吊装，并采用侧面吊装的方式上船搭载。浮吊在起重过程中，重物会给整台浮吊一个很大的倾覆力矩3。因此，根据场地以及起重设备情况，起吊时大浮吊扒杆仰角设计为45.4毅，对应吊重为861t。浮吊移位及上船安装时，大浮吊的扒杆仰角设计为 58毅。2.2吊耳及加强设计总段共设 6 个吊耳（左右舷都对称，共 3 对），一对八眼吊耳布置于上建驾驶室外，一对双眼吊耳布置于上建尾部，另一对双眼吊耳布置于烟囱百叶窗上方。吊耳应布置在构件区域，可以有效传递所受的拉力4。吊耳孔直径为 80mm，后镗孔至 89mm。所有吊耳的甲板区域以及围壁板均做加厚处理，吊耳孔的间距为半档肋位，每块吊耳肘板反面均增加或修改加强结构。由于驾驶室窗户玻璃均需在总段阶段安装完成，而上建烟囱总段的吊耳布置均在驾驶甲板上（驾驶室窗户玻璃附近）。为防止出现结构吊装变形导致的窗户玻璃破裂等情况，在上建烟囱总段吊耳肘板与罗经甲板的 T 排梁之间，共增加 4 根 20 号槽钢。2.3吊索具设置大浮吊的 2 号、4 号主钩单侧钩头悬挂 2 根 10m 的钢丝绳，对折使用，钢丝绳直径 80 mm，对折后通过 55 t卸扣分别与直径 76mm 的 15m 钢丝绳相连，再通过 55t卸扣与吊耳孔直接相连，采用 1 号和 3 号与 2 号和 4 号的交错连接方式；1 号、3 号主钩单侧钩头挂 1 根 9m 的钢丝绳圈，对折使用，钢丝绳直径 85mm，下方挂 250t 滚轮卸扣，滚轮卸扣下穿 20m 钢丝绳，钢丝绳直径 85mm，对折使用，最后通过 55t 卸扣与吊耳孔直接相连。55t 卸扣共计 38 只、85t 卸扣共计 2 只（该型卸扣的使用是为了调节钢丝绳长度，使钢丝绳受力均匀），250t 滚轮卸扣共计 4 只。总段整体的吊装方案设置示意图如图 1 所示。2.4场地尧建造等设计总段在港池东北角 300t 场地总组，为兼顾分段与总段吊装，设计总段重心距码头 45m。总段直接在地面建造，通过垫墩工装、槽钢与地面（预埋铁）相连。为防止总段起吊后严重晃动导致的结构损坏以及人员挤压伤害，需要在上建底层外侧增加槽钢进行限位，位于左右舱壁FR25 位置处以及前舱壁 L0 处。罗经甲板上左右舷靠近总段吊耳的天线不装，防止挂钩时被吊索具撞坏。因烟囱及上建尾部新增了双孔吊耳，其钢丝绳与物料吊扒杆干涉，需提前将物料吊扒杆转向罗经甲板固定。上建烟囱总段的定位销子共设置 3 只：首部 LP3 位置设置 1 只，高为500mm，与其干涉的踏步梯需等上建烟囱总段整体吊装结束后安装；左舷舱壁 FR26 处设置 1 只，高为 400mm，干涉的踏步梯需等上建烟囱总段整体吊装结束后安装；右舷舱壁 FR26 处设置 1 只，高为 300mm，同样，干涉的踏步梯等上建烟囱总段整体吊装结束后安装。图 1总段整体吊装方案示意图3重点尧难点设计为更好、更科学地进行难点方案策划，作者将学习发明问题解决理论（TRIZ）并应用。该理论将创造发明的内在规律和原理进行了归纳总结，重点在于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是彻底解决矛盾，从而达到最终理想状态5。3.1小平台吊装设计由于总段最下层 PD12C 分段带有左右舷 2 块小平台，平台与总段主体只有小部分连接，左舷平台重约 5t，右舷平台重约18t。原设计 2 块小平台需待总段整体吊装结束后单独安装，后考虑到完整性以及码头吊装难度等问题，优化原先方案，将 2 块小平台在总段阶段组到位，跟随总段一起吊装。小平台固定的方案有二：其一为槽钢斜撑的刚性连接形式，其二为钢丝绳的柔性连接方式。由于方案一所需槽钢过长、耗材大、结构弱和破坏完整性等缺点被排除，遂选用方案二。经过有限元仿真计算，在左右舷小平台上各设计 2 只 D-10 吊耳，且在上方 PD41C分段的舷墙上表面设计 2 只 T-10 吊耳，设计在上表面可以防止割除时对翅膀外面油漆的破坏。为保证钢丝绳能调节长度且受力均匀，上下吊耳之间除了用钢丝绳连接外，在钢丝绳中间还需增加花篮螺丝，所有连接部件强度均应大于 10 T，具体形式如图 2 所示。吊装方案示意图510 m 钢丝绳对折4 根55 t 卸扣8 只15 m 钢丝绳8 根9 m 钢丝绳圈对折2 根250 T 液轮卸扣2 只20 m 钢丝绳对折覬85伊2 根55 t 卸扣7 只85 t 卸扣1 只FR5FR10FR15FR20FR25FR30FR35FR40A 甲板B 甲板C 甲板罗经甲板桥楼甲板133-2023 年 32 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application图 4应力与形变云图渊a冤应力云图渊b冤形变云图图 2最下层甲板的小平台连接示意图3.2物料吊摆放设计根据起重能力以及完整性等方案的考虑，该总段尾部的物料吊也将在总段阶段安装完毕。由于上建尾部和烟囱上也设计了双孔吊耳，且两吊耳间悬挂有钢丝绳，若按图纸将物料吊安装到位（即物料吊机固定于搁架），必然会与起重钢丝绳形成干涉。因此，将物料吊安装后，需旋转 50毅至罗经甲板上方。在罗经甲板上方放置一个船台鹅卵石沙箱，作为扒杆搁置工装使用。强度及刚度经计算均满足建造要求，如图 3 所示。图 3扒杆搁置示意图3.3吊耳重复利用设计该型船为大批量系列船，若按传统模式设计吊耳，仅能使用一次，会造成大量材料浪费，增加施工成本。因此，在烟囱及上建尾部吊耳的设计上，采用了双边肘板的形式，双边肘板会更加有效地控制切割变形。吊耳钢材的强度验算内容包括：受拉强度、剪切强度、拉剪强度、吊耳孔承载力和锚固底板强度验算6。在强度验算合格的基础上，吊耳根部增高 50 mm，作二次切割使用，大大提高吊耳的材料利用率。为避免切割后的吊耳流转周期长的问题，在流转形式上，需间隔 1 条船使用。3.4完整性设计船舶制造是制造业的一个大类，是一个综合性的工程7，因此上建烟囱总段完整性设计显得尤为重要。由于首制船设计周期紧，前期各类资料提供不准确，因此首制船在设计时做了保守处理，即上建烟囱总段吊耳下方的窗户孔均封闭，并加以固定。待后续船的各项数据完整后重新进行有限元计算，并结合首制船吊装的实际情况，对后续所有船进行优化：上建烟囱总段所有的窗户孔全部开设到位，并全部安装好窗框和复合岩棉板等，大大提高总段完整性且避免了后续施工对前道工序的破坏性。4总段强度校核该总段采用 TSV-BLS 吊装软件进行吊装强度有限元分析，较于传统的吊装软件，本软件大大节省建模时间，且可以分析吊索具干涉、调整吊装状态等8。本章节所示结果为加强优化之后的最终结果。除特殊位置外，网格大小为 200mm伊200mm。上建烟囱总段结构材料包含 A级钢、AH36 高强钢、DH36 高强钢，弹性模量均为 2.06伊105N/mm2，泊松比 0.3，密度 7.85伊10-9t/mm2。模型网格处理好之后调整重量重心，使之与理论数据相契合。在仿真部分，模拟大浮吊的 4 只主钩，创建 4 个吊点，并根据设计的吊索具，配置好对应的钢丝绳索模型。运行文件后可得出各个吊耳孔的受力情况，最后提交运算。计算结果如图 4 所示，整体形变最大为 6.63 mm，位于右舷的加强槽钢上；最大应力为 73.61 Mpa，位于相同槽钢位置。二者均符合公司规定的强度与刚度建造要求。渊下转 139 页冤73.6169.0164.4159.8155.2150.6146.0141.4136.8132.2127.6023.0018.4013.809.204.600.006.636.225.805.394.974.564.143.733.322.902.492.071.661.240.830.410.00Maximum 73.61Node 1022704Maximum 6.63Node 1022588134-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 32 期图 9 帮助文件就可以帮助大家怎么处理故障，根据提示，打开电柜，检查故障的伺服驱动器的 SERCOS芋总线输入输出，线路是否松动，必要时更换伺服控制器，排除故障后，整个拓扑结构如图 10 所示。排除故障后，图 10 显示整个施耐德伺服控制系统形成控制回路，没有报警信息。图 10FX2_779 施耐德伺服控制系统拓扑关系图4结束语本文详细介绍了施耐德基于 PacDrive3 的伺服控制系统工作原理和三闭环负反馈工作原理，以烟草包装设备 FK FX2_779 部分为例，详细阐述如何设计、应用一个小型 PacDrive3 伺服控制系统。通过本文的介绍，相信对工程技术人员设计使用施耐德伺服控制系统有很大帮助。同时，基于 PacDrive3 伺服控制系统具有高精度定位、动态响应速度快、系统运行稳定和自诊断功能等优点，其一定会在烟草行业及其他机械行业有更广阔的应用空间。参考文献院1 袁晓峰，龚邦明.基于 SERCOS-芋总线的伺服驱动单元接口J.组合机床与自动化加工技术，2005（10）：48-50.2 彭学文，朱志红，贾正春.伺服驱动单元 SERCOS 总线接口的设计与实现J.自动化与仪表，2001，16（5）：64原66援3 罗灿威.基于 SERCOS 芋总线的工业机器人控制器运动功能设计D.南京：东南大学，2015.4 袁战伟，李丹，严涛，等.ELAU 伺服控制系统工作原理及其在FOCKE FX 中的应用J.电工技术，2020（4）：28-29.5 FOCKE 电气图册M.德国佛克公司，2013.6 FOCKE 维修手册M.德国佛克公司，2015.7 施耐德 PacDrive3 培训手册M.法国施耐德公司，2013.渊上接 134 页冤5结束语船舶总段的吊装是船舶建造的一个极其重要的环节，需要考虑的因素比较多，所以在吊装之前的设计阶段，通过策划总段方案，可以对实际建造起指导作用，对安全、高效、高精度造船有着极其重要的意义。本论文对公司新型 82 000 t 系列散货船的上建烟囱总段吊装方案进行设计，从总段的概况、吊装布局等基础设计展开叙述，着重阐述了在整个设计过程中的重点、难点问题，并对其进行吊装有限元分析，确认其强度以及刚度均满足建造要求，生产现场也已圆满完成该总段的吊装任务。依据该总段实际吊装的成功案例，为后续新船型的吊装设计提供理论支撑。参考文献院1王飞.40000 DWT 自卸船艏部总段四机联吊工艺设计J.船舶物资与市场，2022，30（9）：51-54.2陈小雨，钟浩东，张海甬.基于有限元方法的大型邮轮薄板总段吊装方案设计J.船海工程，2022，51（1）：32-36.3张炳发，李英，郑世乐.提高超大型浮吊起重量的方法J.中国重型装备，2015（1）：3-4，7.4魏波，步林鑫，张莉莉，等.基于数值仿真的大型薄甲板总段吊装方案设计优化J.造船技术，2021，49（6）：17-23.5张雄刚，吴泰峰，任伟，等.基于 TRIZ 理论对新型环保水雾喷砂装置的研制J.中国修船，2022，35（4）：10-13.6李少斌，许建武，丁建军.国外大型预制型沉箱吊装施工的吊耳设计J.水运工程，2020（6）：214-219.7吴泰峰，张雄刚，唐锋.一种跟踪便携式焊接烟尘收集装置的研制J.新技术新工艺，2022（4）：55-61.8吴忠，张开.基于 TSV-BLS 的虚拟上层建筑总段吊装分析J.船舶，2016，27（5）：94-97.139-