基于FPSO上层建筑不同吊装方案的变形控制研究

李永正，曹 轶，窦培林，李志祥，曹进操

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江212003;2.广州中船龙穴造船有限公司，广东 广州511462)

0 引 言

随着船舶建造技术的快速发展，船厂对于船舶建造周期、降低建造成本的需求日益凸显，上层建筑整体吊装的方式使得上层建筑中的各项工作可以在分段吊装前提前进行。这不仅改善了施工环境，还大大提高了上层建筑的预舾装程度，将大大提高劳动生产效率、缩短船舶的建造周期、降低造船成本。

然而，提高吊装前的上层建筑预舾装度也给吊装带来一定的困难。随着上层建筑整体分段的尺寸和重量越变越大，使得整体刚度越来越小，吊装过程中的结构变形控制显得尤为重要。因此，更加细化的吊装方案，尤其是吊排的布置形式以及各分段的起吊方式对吊装过程中的变形控制对上层建筑预舾装比例起到了关键作用。

本文以某大型FPSO上层建筑为例，根据不同的吊装分段方式以及吊排布置方式，选取了3 种吊装备选方案，利用有限元软件MSC.Nastran 对其进行直接计算，分析对比了各方案的特点和局限性，为FPSO上层建筑吊装顺利进行提供了保障。

1 FPSO上层建筑结构形式及吊装方案

1.1 上层建筑结构形式

本文选取1 艘大型FPSO上层建筑进行分析，结构共有7 层，从FR36 肋位到FR54 号肋位的顶甲板及其下围壁结构，驾驶甲板及其下围壁结构，E甲板及其下围壁结构，D 甲板及其下围壁结构，C甲板及其下围壁结构，B 甲板及其下围壁结构，A甲板和Cellar 甲板及其下围壁结构。

该上层建筑长15.7 m，宽44.94 m，高28.5 m，各层甲板围壁的板厚分布如表1所示。

表1 上层建筑板厚分布Tab.1 Distribution of superstructure plate thickness

1.2 材料及重量重心

上层建筑采用的材料参数为:密度σ=7 800 kg/m3，弹性模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3。上层建筑各层甲板采用横骨架式，实际结构重量、重心与有限元模型的重量、重心对比如表2所示。

表2 上层建筑重量、重心表Tab.2 Superstructure weight、center of gravity table

1.3 吊装方案

本文共选取3 种吊装方案进行对比分析，其中包括2 种整体吊装方案及1 种分体吊装方案，3 种方案具有各自的特点以及局限性。上层建筑整体吊装与分体吊装相比可以极大地提高上层建筑预舾装比例、缩短船台建造周期、提高工程效率;而不足之处在于由于起吊重量大幅提高，对船厂吊机的起吊能力以及吊排的装配质量提出了较高要求;另外，对于吊装过程中的变形控制方面，虽然整体吊装的重量较之分体吊装有明显增加，但由于整体吊装中有较多横贯左右舷的甲板围壁结构，这有利于整体刚度的提高，因此，变形控制上比分体吊装薄弱。

吊排的布置也会影响吊装结果。其中，纵向布置的吊排较为常见，船厂对这种起吊方式的经验丰富，对吊装过程中出现的问题也有充分准备，不足之处在于对于大跨距的结构，很可能会因为整体刚度不足而造成中部区域的局部变形过大和应力集中现象。

横向布置的吊排，与纵向布置相比，横向的吊排往往是分散在上层甲板上，吊排结构处具备较好的上下连续性，保证了应力的有效传递，减少了结构变形和损坏，能够解决大跨距带来的结构变形问题。但这种方式也对船厂合理使用吊机，选择合适的起吊方式提出了考验。

方案1:整体吊装(纵向吊排布置)

在该上层建筑FR38+410，FR39+410，FR40+410，FR41+ 410，FR43，FR44－ 290，FR45+410，FR46+410，FR47+410，FR48+410，FR49+510，FR50+410的顶甲板上布置24个吊码，24个吊码布置在顶甲板左右两侧外围壁处。为了局部加强，吊耳与驾驶甲板围壁1.1 m 范围内板厚从8 mm增加到18mm。根据要求，吊装时仅使用顶甲板上FR38+410，FR39+410，FR40+410，FR41+410，FR43，FR44－290，FR45+410，FR46+410，FR47+410，FR48+410，FR49+410，FR50+410左右对称的24个吊码，分别用2 根500 t 吊梁进行吊装，共布置4 组钢丝绳进行24个吊码的起吊，具体吊装图如图1所示。

方案2:整体吊装(横向吊排布置)

在该上层建筑Top 甲板后围壁和NAV 甲板前壁左右四处分别布置吊码。为了局部加强，吊耳与驾驶甲板围壁1.2 m 范围内板厚从8 mm 增加到18 mm。分别用2 根1 000 t 吊梁进行吊装，共布置16 组钢丝绳进行32个吊码的起吊，吊排及吊孔的位置布置如图2和图3所示。

图1 吊装示意图Fig.1 Lifting schematic figure

图2 吊码布置图Fig.2 Hanging code layout drawings

图3 吊码布置图Fig.3 Hanging code layout drawings

方案3:分体吊装

把FPSO上层建筑分XL001和XL041 分别起吊2个分段。

XL001 分段:该上层建筑在FR36+ 460，FR37+ 460，FR38+ 460，FR39+ 460，FR40+460，FR41+460，FR42+460，FR43+500，FR46+400，FR47+ 400，FR48+ 400，FR49+ 400，FR50+400，FR51+400，FR52+400，FR53+300的C 甲板上布置了32个吊码，32个吊码布置在C甲板围壁处。为了局部加强，吊耳与C 甲板围壁1.1 m 范围内板厚从8 mm 增加到18 mm，吊装图如图4(a)所示。

XL041 分段:该上层建筑在FR38+410，FR39+410，FR40+ 410，FR41+ 410，FR43，FR44－290，FR45+410，FR46+410，FR47+410，FR48+410，FR49+510，FR50+410的顶甲板上布置了24个吊码，24个吊码布置在顶甲板围壁处。为了局部加强，吊耳与顶甲板围壁1.1 m 范围内板厚从8 mm增加到18 mm，吊装图如图4(b)所示。

图4 吊码布置图Fig.4 Hanging code layout drawings

1.4 上层建筑有限元模型

利用MSC.Patran 软件对该上层建筑建立三维有限元模型，3 种吊装方案的有限元模型如图5所示。各层甲板与其下围壁采用板单元，各层甲板上的纵骨、横梁与其下围壁上的扶强材采用梁单元。方案1 共划分117 467个单元、83 508 节点。方案2共划分117 398个单元、83 446 节点。方案3XL001共划分65 147个单元、844 854 节点;XL041 共划分77 588个单元、57 450 节点。

图5 上层建筑有限元图Fig.5 Superstructure finite element figure

1.5 计算工况、边界条件及载荷

在上层建筑结构吊装过程中，结构的响应主要是由于结构的重量及运动产生的惯性载荷。因此需要分析吊装前的结构响应、吊装时结构的响应，进而确定由于吊装所引起的结构的响应，计算工况如下:

工况1——吊装前的结构响应

载荷:上层建筑吊装前的载荷为自身的重量，即施加惯性载荷:ay=g=－9.8 m/s2;

边界条件:上层建筑下层甲板下面所有围壁约束x，y，z 三个方向的线位移和角位移。

工况2——吊装过程中结构响应

载荷:在上层建筑向上吊装的瞬间过程中考虑其冲击载荷的影响在型深方向取:ay=1.2 g=－11.76 m/s2

边界条件:每个吊孔取3个节点作为吊孔的受力点，通过计算获得这些吊点的支反力，用支反力替代Y 向的约束。在有限元模型的重心位置处约束X 向和Z 向的位移。

此外，为了描述结构由于吊装瞬间而引起的应力变形的变化情况，本文使用吊装引起的结构响应，即用工况2的结果减去工况1的结果加以分析对比。

2 计算结果与分析

上层建筑计算结果数据如表3所示，计算得到的上层建筑应力应变云图见图8～图11。

方案1 中由于吊排与顶甲板围壁之间没有连续构件的支撑，加上整体分段重量较大，所以在吊排与甲板连接部位出现了较严重的应力集中现象，最大应力达1 710 MPa，远远超过了材料的极限强度。变形方面，由于整体模型的中心靠近前端壁，致使前端壁的变形普遍较大，均在17 mm 以上。关于各层甲板上的预舾装，本文采用的是统一增加材料密度的方法，其中包括各层甲板及其下围壁结构。采用这种方式的主要原因是:把部分预舾装的重量分担到舱壁处，相当于变相的减少了各层甲板的所受的荷载。故如果这种工况各层甲板的变形较大，不满足需求的话，则实际工况中各层甲板的变形更加不可能满足;

方案2 中横向布置的吊排能够很好地将应力传递至下层甲板及围壁，具体表现为:最大应力153 MPa，出现在驾驶甲板下围壁，除此之外的应力大都控制在100 MPa 以下;最大变形为16 mm，位置在C 甲板，其他区域的变形控制在10 mm 左右;

方案3 分体吊装，吊装重量减小的同时，结构刚度也有所损失。导致最大应力也达到了248 MPa，位置在顶甲板下围壁，最大变形为4.9 mm，位置在C 甲板。

表3 吊装引起的结构应力与变形计算结果汇总表Tab.3 Summary of structure stress and deformation calculation results caused by lifting

图6 001 分段应力云图Fig.6 Section 001 stress nephogram

图7 001 分段位移云图Fig.7 Section 001 displacement nephogram

图8 041 分段应力云图Fig.8 Section 041 stress nephogram

图9 041 分段位移云图Fig.9 Section 041 displacement nephogram

从图中可看出，无论是应力还是变形，方案2的结构响应结果要优于方案1和方案3，分析其原因:

1)同样是整体吊装方案，采用吊排横向布置的结果明显要优于纵向布置，这是因为横向布置的吊排不仅有效化解了模型横向跨距过大的问题，同时使得吊排和围壁间保持良好的上下连续性，保证了应力的有效传递，减少了结构的变形。

2)整体吊装方案下模型的整体重量虽然比分体吊装重量大很多，但由于整体模型存在较多横贯左右舷的甲板围壁结构，使得模型性整体刚度有较大提高，从而整体变形较低。

3)分体吊装方案下模型整体重量轻了很多，但由于上层建筑结构具有横向的大跨度，且吊排采用了常见的纵向布置，使得模型中部区域下垂现象严重，表现为多处甲板围壁区域的变形超过了15 mm。

3 结 语

上层建筑吊装过程中的关键问题是变形控制。保证结构响应在规定范围内对上层建筑预舾装率的提高具有重要的现实意义。在吊装之前，确定一个合理的吊装方案是保证吊装顺利进行关键因素。本文以某大FPSO 为例，选取3 种吊装方案对上层建筑有限元模型进行了数值模拟，得到了以下主要结论:

1)本文根据实际吊装情况利用有限元技术对FPSO上层建筑吊装进行了数值模拟，较真实地反映了实际吊装过程中可能出现的问题;

2)在有限元数值模拟过程中，网格的划分，对结构外形以及构件之间连接关系的准确描述是保证模型的空间结构与实际情况相符合的关键，而合理加载边界条件则能真实反映实际吊装过程中上层建筑结构以及吊排结构的响应;

3)通过对FPSO上层建筑有限元模型进行直接计算，得到了3 种吊装方案下上层建筑整体结构的结构响应。结果表明采用整体吊装加吊排横向布置的吊装方案更有效的控制了上层建筑吊装引起的变形，更好的保障了上层建筑整体吊装的顺利进行。

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