船舶建造工藝-吊裝課件

船舶建造工藝力學(xué)——吊裝

曲先強(qiáng)HarbinEngineeringUniversity2010年2月24日船臺總裝工藝現(xiàn)代造船模式與傳統(tǒng)造船模式在模式特征、設(shè)計方式、生產(chǎn)方式、管理方式上都截然不同?，F(xiàn)在造船模式下的船廠實(shí)行總裝化造船，總裝化造船現(xiàn)代造船發(fā)展的必由之路?，F(xiàn)代造船模式下的船舶建造工藝，船體總裝工藝都與傳統(tǒng)的造船流程有很大的區(qū)別。1船舶建造工藝流程船舶為了滿足性能和使用要求，其外形和船體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，如何能將這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)通過若干的工藝階段建成完整的船體，是船舶建造工藝解決的重點(diǎn)。造船工藝一般分為船體建造工藝和舾裝工藝兩大類。后來，于船舶大型化導(dǎo)致涂裝工程大量增加，質(zhì)量要求不斷提高，涂裝技術(shù)得到迅速發(fā)展，從而促使涂裝作業(yè)從舾裝作業(yè)中分離開來，形成了獨(dú)特的涂裝生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng);船臺總裝工藝同時也把造船工藝分為船體建造、區(qū)域舾裝和區(qū)域涂裝三大工藝流程，在設(shè)計和建造過程中對舾裝和涂裝進(jìn)行統(tǒng)籌安排。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，造船模式不斷的改進(jìn)，形成了以高度總裝化為特征，以精益生產(chǎn)為核心的現(xiàn)代造船模式。現(xiàn)代的造船方法也發(fā)展為以區(qū)域為基礎(chǔ)，將建造、舾裝和涂裝三種類型的作業(yè)相互協(xié)調(diào)有機(jī)結(jié)合組織生產(chǎn)，形成殼、舾、涂一體化建造技術(shù)。現(xiàn)代造船模式下船舶建造的工藝流程圖如圖所示。船臺總裝工藝船臺總裝工藝2船臺總裝工藝船體結(jié)構(gòu)經(jīng)過預(yù)裝配而形成分段或總段后，需要調(diào)運(yùn)到船臺再進(jìn)行裝配焊接形成整個船體，即船體的總裝，也稱大合攏。船舶總裝是在部件裝焊、分段裝焊、總段裝焊及舾裝、涂裝的基礎(chǔ)上，在船臺完成船舶整體裝焊和舾裝、涂裝的工藝階段，它對保證船舶的建造質(zhì)量，縮短船舶的建造周期有著直接的關(guān)系。船臺分為縱向傾斜船臺，水平船臺，造船塢三種類型，目前大中型分段均使用造船塢作為總裝的場地。船臺總裝的方式(也稱為建造法)也根據(jù)船舶的類型和船廠的實(shí)際生產(chǎn)條件的不同而不同，如圖所示為塔式建造法的船臺吊裝順序

船臺總裝工藝船臺大合攏是船舶建造的最終階段，船臺大合攏計劃是所有材料/零部件加工、制作、裝配、分段合攏、分段預(yù)舾裝、分段涂裝作業(yè)計劃的依據(jù)。船臺大合攏日程作業(yè)計劃的內(nèi)容包括:鋪龍骨/分段定位、分段吊裝、船體對接裝配、船體對接焊接、搭腳手架、機(jī)電設(shè)備/大型舾裝件安裝、電纜敷設(shè)、涂裝、外觀檢驗、艙室密性試驗、拆除腳手架、設(shè)備初步系泊試驗等。船體大合攏階段是各個專業(yè)立體交叉的作業(yè)，需要安排周密的作業(yè)計劃，同時需要打破各專業(yè)的界限，實(shí)行現(xiàn)場區(qū)域的統(tǒng)一管理。船體大合攏計劃必須根據(jù)船廠的生產(chǎn)條件，如起重能力，場地面積等，進(jìn)行綜合優(yōu)化后確定。船臺總裝工藝船體分段吊裝是指在船臺上，使用起重設(shè)備，焊機(jī)等一些輔助設(shè)備將大型船體分段吊運(yùn)到指定的位置并進(jìn)行焊接裝配的過程。由于需要吊裝的分段體積和質(zhì)量較大，吊裝過程會涉及大量的人力、物力等資源的協(xié)調(diào)使用，吊裝過程中資源的合理配置顯得尤為重要。船臺(船塢)是船廠實(shí)現(xiàn)分段吊裝的主要場地，因此船體分段吊裝有時也稱為船臺吊裝，船臺的數(shù)量和尺度是決定船廠生產(chǎn)能力的主要依據(jù)。船臺的生產(chǎn)能力決定船廠每年的生產(chǎn)量，因此，船廠總是最大限度地發(fā)揮船臺的能力，通過優(yōu)化船臺吊裝順序，合理安排資源的使用情況，可以有計劃地縮短船臺周期。船體分段吊裝船體分段吊裝船體分段吊裝船體分段吊裝船體分段吊裝船臺吊裝主要有以下一些特點(diǎn):(l)需要吊裝的分段質(zhì)量大、體積大。在船臺的吊裝過程中包含許多分段和總段，這些分段的質(zhì)量和體積都非常大，占用場地面積大，對吊車的起吊能力要求非常高，通常還需要其它一些輔助設(shè)備刁‘能順利完成吊裝。(2)工作密集集中。船體分段的吊裝都在船臺上完成，船臺上存在著分段的起吊、運(yùn)輸、焊接以及資源的運(yùn)送等多工作的同時進(jìn)行，而船臺的面積是有限的，這使得船臺上的工作十分密集，一旦某一環(huán)的工作出現(xiàn)停滯，就會對其它工作產(chǎn)生很大的影響。船體分段吊裝(3)需要資源數(shù)量種類多。由于分段質(zhì)量體積大，在進(jìn)行搬運(yùn)、吊裝、焊接時就需要大量的人力、起重設(shè)備以及其它資源來共同協(xié)作才能完成。同時，在吊裝完成后，還要進(jìn)行分段焊接工作，這更加大了資源的使用數(shù)量。因此，要求船體分段吊裝計劃的制定必須能夠很好的協(xié)調(diào)各種資源的利用，避免發(fā)生資源沖突，或資源等待狀態(tài)。(4)吊裝過程復(fù)雜。船臺的吊裝計劃是制定造船計劃的主要依據(jù)，吊裝過程不但涉及多資源的綜合利用，而且直接影響到車間的分段裝配、預(yù)舾裝、小分段合成大分段等作業(yè)的日程計劃。因此，要求船體建造部門必須對船臺分段吊裝進(jìn)行周密的計劃，確保船舶建造的順利進(jìn)行。船體分段吊裝分段吊裝研究問題：1、合理吊裝順序；2、吊點(diǎn)的設(shè)計；3、強(qiáng)度校核；4、變形控制、吊點(diǎn)與吊環(huán)加強(qiáng)。船體分段吊裝合理的吊裝方式可以提高船臺利用效率，縮短船臺周期。雖然對不同的情況所選擇的建造方法不同，但是在一個建造區(qū)域的分段吊裝順序和分段定位固定方法卻是相同的。塔式建造法是目前各船廠普遍采用的船臺吊裝方法，右圖所示即采用塔式建造法分段的基本吊裝順序。

船體分段吊裝——吊裝順序使用該方法的分段吊裝順序和基本裝焊工藝詳細(xì)描述如下:(l)吊裝基準(zhǔn)分段(底部分段);(2)吊裝基準(zhǔn)分段上的艙壁分段和前后的底部分段;(3)吊裝舷側(cè)分段，向艏、艉方向繼續(xù)吊裝底部分段和艙壁分段(4)吊裝甲板分段，繼續(xù)吊裝底部分段、艙壁分段和舷側(cè)分段。(5)繼續(xù)向艏、艉方向吊裝底部分段、艙壁分段、舷側(cè)分段和甲板(6)吊裝艏、艉分段。(7)吊裝及焊接上層建筑，并進(jìn)行舾裝作業(yè)。船體分段吊裝——吊裝順序在吊裝時還要注意以下事項:(l)使用吊車吊裝時，每天吊裝的分段個數(shù)要均衡。(2)所構(gòu)建的起吊順序能夠使船體不會發(fā)生變形，保證建造精度(3)要保證分段的供應(yīng)量充足，不應(yīng)出現(xiàn)過多分段積壓現(xiàn)象。(4)各分段吊裝順序間隔要考慮到舾裝和涂裝作業(yè)。船體分段吊裝——吊裝順序船體分段吊裝——吊裝順序為了確保吊裝的順利進(jìn)行，必須根據(jù)工程實(shí)際情況，有針對性的編制專項吊裝程序?；境绦蚝鸵笕缦拢?.上建結(jié)構(gòu)和舾裝結(jié)束后，定位總段外圍壁的基準(zhǔn)線，必須加強(qiáng)的構(gòu)件及定位裝置等也應(yīng)完成。2.起吊前，拆除全部總段與胎架的定位焊和臨時連接件，裝好起重索具，龍門吊吊鉤對準(zhǔn)吊馬。船體分段吊裝——吊裝順序3.對總段進(jìn)行試吊，當(dāng)總段提升200mm時，認(rèn)真檢查鋼索、吊馬、加強(qiáng)材的受力情況，若有問題應(yīng)立即將總段放回胎架，進(jìn)行分析調(diào)整，然后再進(jìn)行試吊，直至安全可靠，方可正式吊起安裝。4.總段應(yīng)提升一定高度，然后按規(guī)定路線將上建緩慢吊至船上安裝位置處，緩緩下降距上甲板400mm處暫停，調(diào)整總段位置，安裝臨時定位工具（花蘭螺絲和油泵等）。5.定位總段，測量四角水平，圍壁下緣空隙等。6.總段定位焊結(jié)束后，拆除臨時加強(qiáng)和吊馬。船體分段吊裝——吊裝順序吊點(diǎn)設(shè)置的合理，可以使得整體吊裝的上層建筑受力更為均勻合理，充分發(fā)揮起重設(shè)備的起吊能力，確保吊裝的順利進(jìn)行。一般吊點(diǎn)設(shè)置要求如下：1.盡可能對稱于上層建筑的重心布置，使得各吊點(diǎn)受力比較均勻，減少上建的變形。選擇吊點(diǎn)時要考慮結(jié)構(gòu)布置的勻稱，一般應(yīng)在長寬方向的1/4處，對稱于重心，若滿足不了則盡量縮小偏移。

船體分段吊裝——吊點(diǎn)的設(shè)計2.應(yīng)在縱橫連續(xù)強(qiáng)構(gòu)件的交匯點(diǎn)上，并于左右圍壁或前后端壁的延伸部分，吊點(diǎn)還應(yīng)設(shè)置在上下有連續(xù)性的構(gòu)件上：使受力面擴(kuò)大，使受力傳遞分散，以減少應(yīng)力。3.應(yīng)使吊索與甲板水平面的夾角大于60度，并盡可能增大，這樣能減小繩索的張力，使甲板的受力狀況得到改善

。4.應(yīng)便于吊環(huán)的裝焊和拆除。船體分段吊裝——吊點(diǎn)的設(shè)計船體分段吊裝——吊點(diǎn)的設(shè)計吊裝分段重量重心計算：根據(jù)劃好的上建總段，具體計算出每個總段的性數(shù)據(jù)，即船體結(jié)構(gòu)的重量重心、大型備的重量重心、非船體結(jié)構(gòu)(需要放人段的棲裝件和腳手架等)重量重心。在計算時，我們假設(shè)非船體結(jié)構(gòu)重心與每個段的結(jié)構(gòu)重心重合。表1列出了四個總段結(jié)構(gòu)重量和總段重量船體分段吊裝——吊點(diǎn)的設(shè)計根據(jù)《詳細(xì)建造計劃書》的要求，在總段組合時，我們必須采取措施控制總段中的預(yù)舾裝范圍，從而控制總段在吊裝時的變形。因此，在總段組裝時，根據(jù)每個總段不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，要完成管子、鐵舾件補(bǔ)裝，風(fēng)管、木作構(gòu)架安裝，電纜托架、電器固定件補(bǔ)裝，門窗安裝等。總段整體涂裝后還要進(jìn)行局部電纜的拉放和電梯圍井絕緣敷設(shè)，衛(wèi)生間單元也隨層進(jìn)行清空吊裝。舾裝的大型設(shè)備重量比較容易計算，而像管子、鐵舾件、風(fēng)管、木作等非船體結(jié)構(gòu)重量，在總段吊裝時計算比較困難:我們根據(jù)以往的經(jīng)驗，把上述這些構(gòu)件和必要的腳手架等的總重量按其總段船體結(jié)構(gòu)重量的0.35倍進(jìn)行估算，從而得出總段的總重量。船體分段吊裝——吊點(diǎn)的設(shè)計對于船體分段的吊裝通常設(shè)四個吊點(diǎn)，這種情況受力比較簡單，對于整段上層建筑來說，由于其剛度較小、尺寸較大、重量較大，若采取該種方式布置吊點(diǎn)勢必會引起：①吊點(diǎn)位置太少、結(jié)構(gòu)尺寸太大，結(jié)構(gòu)整體的變形過大；②結(jié)構(gòu)重量太大、吊點(diǎn)位置較少、吊點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)較弱，吊點(diǎn)位置的局部應(yīng)力過高。在總段的駕駛甲板兩側(cè)設(shè)四個吊點(diǎn)，由主鉤承受總段的全部重量;在羅經(jīng)平臺的前端設(shè)兩個吊點(diǎn)，為副鉤調(diào)節(jié)總段前后傾斜用。為了使吊點(diǎn)受力均布分散，主鉤每個吊點(diǎn)設(shè)4孔長吊環(huán)，使每孔吊環(huán)可承受25噸負(fù)荷。副鉤每個吊點(diǎn)設(shè)承受25噸的單孔吊環(huán)。船體分段吊裝——吊點(diǎn)的設(shè)計綜合分析該船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、吊裝能力，根據(jù)以往吊裝經(jīng)驗確定了該上層建筑的整體吊裝吊馬的形式及布置。①吊點(diǎn)布置在結(jié)構(gòu)剛度最強(qiáng)的左右舷圍壁上，吊馬位置的局部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度將有所保障，同時不會引起吊馬附近結(jié)構(gòu)過大的局部變形；②有利載荷的傳遞，結(jié)構(gòu)的整體位移相對較??；③吊馬上的三角肘板可以在一定程度上增加吊馬承受平面內(nèi)彎矩的能力，有利于吊裝安全。船體分段吊裝——吊點(diǎn)的設(shè)計將分段看成長方形箱型立體結(jié)構(gòu)，其長、寬、高的尺寸大體相近，且縱、橫向主要構(gòu)件上下對齊，具有連續(xù)性，有利于力的傳遞，這樣的組合結(jié)構(gòu)使得總段有較高的強(qiáng)度。

板架的模擬計算圖:由于甲板室在整吊過程中，受力情況比較復(fù)雜，為簡便運(yùn)算，將其假設(shè)為一個板架。船體分段吊裝——強(qiáng)度校核板架的臨界載荷計算:板架計算的構(gòu)件參數(shù):船體分段吊裝——強(qiáng)度校核船體分段吊裝——強(qiáng)度校核船體分段吊裝——強(qiáng)度校核每組吊環(huán)處有三根橫梁承受載荷，故每根橫梁承受的壓應(yīng)力為:船體分段吊裝——強(qiáng)度校核船體分段吊裝——強(qiáng)度校核船體分段吊裝——強(qiáng)度校核船體分段吊裝——強(qiáng)度校核船體分段吊裝——強(qiáng)度校核上層建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是完整性整體吊裝技術(shù)成功實(shí)施的關(guān)鍵因素。采用有限元技術(shù)來分析上層建筑在整體吊裝時結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形，并分析在整體吊裝時上層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形的共性特點(diǎn)。幾何建模是網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)，它對分網(wǎng)過程和網(wǎng)格形式都有直接影響，所以在建幾何建模時對原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的形狀簡化、變換和處理，既能保持一定的精度，又能使分網(wǎng)和計算過程大為簡化。船體分段吊裝——強(qiáng)度校核在CAD技術(shù)中，幾何模型可以分為線模型、曲面模型（包括平面模型）和實(shí)體模型三種形式。上層建筑由甲板、甲板橫梁、甲板縱桁、圍壁及圍壁扶強(qiáng)材構(gòu)成，甲板、圍壁及強(qiáng)桁材采用平面模型。平面模型與實(shí)體模型相比，平面模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)存儲量少，操作運(yùn)算方便，在有限元建模中，平面模型用于二維單元自動劃分。甲板橫梁和圍壁扶強(qiáng)材簡化為線模型。線模型數(shù)據(jù)量更少，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更簡單，算法處理方便，模型輸入可以通過定義線段端點(diǎn)坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。線模型主要用于干梁系統(tǒng)一維單元的自動劃分。船體分段吊裝——強(qiáng)度校核中國船級社《船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計算指南》中規(guī)定：1．船體構(gòu)件的有限元網(wǎng)格沿船體縱向按肋距劃分，沿船體橫向按船底縱骨間距劃分，舷側(cè)也應(yīng)按肋距劃分。2．船體的各類板、殼構(gòu)件，強(qiáng)框架、縱桁、平面艙壁的桁材等的高腹板以及槽型艙壁用四節(jié)點(diǎn)板殼單元模擬，盡量少用三角形單元。對于承受水壓力的甲板、內(nèi)外底板上的縱骨、艙壁的扶強(qiáng)材等用梁單元模擬，肋骨和肘板等用桿單元模擬。船體分段吊裝——強(qiáng)度校核參照以上規(guī)定，上層建筑幾何模型中各構(gòu)件的單元類型和網(wǎng)格劃分如下：甲板、圍壁及強(qiáng)桁材的平面模型采用板單元。板單元可進(jìn)行靜力和動力分析，其網(wǎng)格為平面圖形，形狀有三角形和四邊形兩種。三角形單元的邊界適應(yīng)能力強(qiáng)，常用于曲面邊界的離散，有時也用于不同大小四邊形單元的過渡。四邊形單元多用于形狀比較規(guī)則的結(jié)構(gòu)，其精度要高于同階次的三角形單元。所以甲板、圍壁及強(qiáng)桁材的平面模型采用四邊形板單元。甲板橫梁和圍壁扶強(qiáng)材的線模型采用梁單元模擬。梁單元也可以進(jìn)行靜力和動力分析。平面梁單元上可以施加的載荷包括節(jié)點(diǎn)力、節(jié)點(diǎn)力矩、棱邊軸向分布力、棱邊軸向分布扭矩等。梁單元僅限于分析各項同性材料，單元可以輸出位移、應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變能、單元力和約束反力等計算結(jié)果。船體分段吊裝——強(qiáng)度校核通過定義全船結(jié)構(gòu)有限元模型中構(gòu)件單元的尺寸和密度，可以由程序自動計算船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼材自重；居裝件的重量主要是甲板敷料的重量，居裝重量以分布力的形式施加到Nav.BridgeDeck、CDeck、BDeck、ADeck四層甲板上；其余重量相對較小，以密度的形式均勻施加于結(jié)構(gòu)。調(diào)整結(jié)構(gòu)的重量重心，使其與實(shí)際結(jié)構(gòu)的重量重心相一致。由于吊點(diǎn)布置數(shù)量較多，在有限元模型中約束處理采用吊環(huán)圍壁上緣約束x、y、z三方向的位移；右舷吊環(huán)圍壁上緣約束x、z三方向的位移。在計算分析結(jié)構(gòu)在在吊裝前由于重力作用引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)時，有限元模型的約束處理采取A甲板下縱橫圍壁下緣完全剛性約束，即約束x、y、z三方向的平動和轉(zhuǎn)動。船體分段吊裝——強(qiáng)度校核在整段吊裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析中，吊馬結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格較為粗，不能詳細(xì)的反映吊馬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形特征，要詳細(xì)了解吊馬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形特征需要對吊馬結(jié)構(gòu)單獨(dú)建立局部細(xì)化模型，進(jìn)行強(qiáng)度分析。船體分段吊裝——強(qiáng)度校核一些吊碼布置在非強(qiáng)力結(jié)構(gòu)上的區(qū)域，吊裝前后的變化值較大，仔細(xì)分析這些變形大的區(qū)域，我們發(fā)現(xiàn)主要是由于吊碼布置在非強(qiáng)力結(jié)構(gòu)上造成的。圍壁結(jié)構(gòu)的控制變形措施方案一：永久加強(qiáng)，增大圍壁變形最大位置處扶強(qiáng)材尺寸。方案二：局部加強(qiáng)，在圍壁變形最大位置處的兩個扶強(qiáng)材的底部加兩根L100x75x7的角鋼，此角鋼在吊裝后可割去也可保留。船體分段吊裝——變形控制船體分段吊裝——變形控制甲板結(jié)構(gòu)的控制變形措施各層甲板面因起吊引起的變形最大位置一般位于：加班中部，橫梁跨局較大處，現(xiàn)以上層建筑B甲板為例進(jìn)行計算分析，擬采用三種加強(qiáng)方案。方案一：增設(shè)支撐，在變形最大處(Fr43船舯、Fr43右舷距中4.92m)加兩根支柱Φ100x10，待吊裝結(jié)束后在割除。方案二：增加短縱桁，在變形最大處(Fr38~Fr47左舷距舯1.23m,右舷距舯3.69m)加三根短縱桁，規(guī)格為L11x300/16x90.方案三：增大橫梁尺寸，將變形最大處的橫梁(Fr42和Fr44)改為強(qiáng)橫梁，改變后的規(guī)格為L11x300/16x90。船體分段吊裝——變形控制吊環(huán)的結(jié)構(gòu)形式(1)種接吊環(huán):將吊環(huán)直接焊在甲板上。此種吊環(huán)制造、安裝都比較方便，但對焊接的要求較高，任何焊接缺陷將對上層建筑整吊的安全性產(chǎn)生不同程度的直接影響。上海船廠建造的16000噸多用途貨船“魯班”號、“張衡”號，由于甲板伸出圍壁20毫米，因此采用此種形式吊環(huán);丹麥B&W公司的船廠也采用過該種吊環(huán)。(2)搭接吊環(huán):將吊環(huán)搭焊在上層建