青島永泰長榮
標題: 船舶氣囊下水靜力學計算與結構分析 [打印本頁]
作者: 永泰長榮 時間: 2023-12-30 17:37
標題: 船舶氣囊下水靜力學計算與結構分析
船舶是一種運動的大型鋼結構，船舶下水是將船舶從建造船臺上
移至水域的過程。氣囊下水是一項我國獨創(chuàng)的新型下水技術，主要依
靠著實踐經(jīng)驗的積累，幾乎未進行理論和實驗的研究，主要是靠經(jīng)驗
操作，因而事故頻發(fā)。研究氣囊下水運動過程中的力學問題，以及下 水過程中船體的結構強度，對船舶氣囊下水的安全性作出準確的評
估，有重要社會意義和經(jīng)濟價值。
本文編制了氣囊下水的靜力學計算程序，結合實船進行了相關的
計算，并且對船體做了結構分析。主要工作包括：
(1)對船舶氣囊下水過程進行了靜力學分析。
(2)使用 VC++編制了靜力學計算程序，通過對五條實測船舶的
計算和對比，驗證程序的準確性。
(3)在前面靜力學程序計算基礎上，根據(jù)計算出的載荷對其中兩
條船舶的結構進行有限元計算。
(4)分析了船舶氣囊下水的影響因素，提出了船臺改造的方案。
結果計算和結構分析表明，船舶在滿足一定的條件下，可以采用 氣囊安全下水；適當?shù)母脑齑_，可以改善氣囊下水的安全性。本文
的計算結果可為今后更加合理地進行氣囊下水方案布置提供依據(jù)工作的核心思想。
關鍵詞：氣囊下水，有限元法， VC++,船臺改造，靜力學分析
Ship Launching on Air-bag is a new launch technique of original creation of our country,which has a simple process and with no fixed slide tracks.The advantage of Ship Launching on Air-bag lies in many aspects,such as investment saving,high efficiency and flexible,and contributes a lot to the development of small and medium-sized ship enterprises.Ship Launching on Air-bag is a newly applied technique and with no clear standard,so that it mainly relies on practice operations and leads to frequent accidents.Doing researches on mechanics and ship structure intensity of the whole motion procedure,making accurate evaluations of its safety are of great significance and economic value.
This paper drew up statics calculating programs of Ship Launching on Air-bag and did both related calculations and structure analysis of using actual ship examples. The main works of the paper is included in the parts below:
1.Statics analysis of Ship Launching on Air-bag process is made.
2.Statics calculating programs is drew up by using VC++,and verifying the accuracy by comparing 5 actual measured ships.
3.Finite element of 2 ships is calculated among them according to results of loading on the basis of static calculation.
4.The influencing factors of Ship Launching on Air-bag is analyze and proposals of slipway transformation are raised.
The results of the calculation and structure analysis shows that on certain conditions ship can adopt airbag to make safe Launching,and the safety of ShipLaunching on Air-bag can be improved by appropriate transformation.The conclusion of this paper may offer working basis and trains of thought of much more reasonable Ship Launching on Air-bag proposals.
船舶是一種運動的大型鋼結構。船舶下水是在船舶建造工程大部分完工之 后，將船從建造船臺上移至水域的工藝建造過程，因此，船舶下水是船舶建造過 程中最為重要的工序之一。船舶下水具有危險性，如稍有疏忽，會造成重大的損 失。長期以來，人們對船舶的下水作業(yè)十分重視，為此做了大量的研究工作，并 創(chuàng)造了多種船舶下水的方法。如：滑道式下水、軌道式下水、塢內下水等等"。
氣囊下水是指以起重氣囊和滾動氣囊為主要工具，將船舶承托在氣囊上，從 修、造場地移入水域的下水方法。利用氣囊的低充氣壓力、大承載面積以及大變 形后仍容易滾動的特點，先用起重氣囊將船舶從墩木上抬起，擱置于滾動氣囊上， 然后通過鋼纜牽引和氣囊的滾動，使船舶緩慢的滑入水中 。
目前，我國中小型船舶生產(chǎn)企業(yè)普遍采用氣囊下水方式，雖然它具有經(jīng)濟便 利等優(yōu)點，但是與傳統(tǒng)的滑道式下水、軌道式下水、塢內下水等下水方式相比， 氣囊下水方式還存在缺乏理論支撐，實際操作中不規(guī)范等問題。根據(jù)現(xiàn)有船舶建 造實踐經(jīng)驗，在建造船長小于180m的鋼質普通船舶時，采用氣囊式下水方式基 本上還是可行的4。因此，標準(《船舶生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)條件基本要求及評價方法》 簡稱《船企評價標準》)中規(guī)定二級 I 類以下的船舶生產(chǎn)企業(yè)允許使用氣囊式下 水方式，同時提出對采用氣囊下水的設施設備以及下水方案，需要進行計算的要 求。然而，國內外尚無這方面的計算方法和計算工具，有待研究和開發(fā)。
1 . 2論文研究的背景、意義
隨著世界船舶市場日趨興旺和船舶工業(yè)中心向中國的轉移，浙江的船舶工 業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展機遇。目前，在浙江省4300 公里海岸線上，已經(jīng)集聚 了300多家船舶制造廠，修造船能力躍升到全國第四，船舶工業(yè)已經(jīng)成為浙江海 洋經(jīng)濟和先進制造業(yè)的重要組成部分，成為浙江省經(jīng)濟發(fā)展新的增長點。
氣囊下水是一項我國獨創(chuàng)的新型下水技術，具有過程簡單，無需固定滑道， 不損傷船底油漆，投資省、效率高、機動靈活等優(yōu)點，對中小船舶企業(yè)發(fā)展起到 了極大的推動作用。該技術從20世紀80年代初開始推廣，國內已有近千家船廠 采用氣囊下水。浙江省大多數(shù)船廠規(guī)模偏小，沒有建造下水船臺，普遍采用氣囊下水。同時，氣囊下水技術正由我國逐漸走向世界，據(jù)報道，馬來西亞C.E.Ling Enterprise Sdn.Bhd. 公司在米里新建的一家造船廠引進我國的氣囊下水工藝， 廢棄了傳統(tǒng)的滑道下水模式。新加坡、印度尼西亞、日本等客商也來華考察此項 新工藝，并將根據(jù)各自的特點選購氣囊。美國軍方在小型艦艇維修時，也采用我 國的氣囊產(chǎn)品。預計在未來幾年，氣囊下水新工藝將在東南亞地區(qū)得到新一輪推
廣。
船舶下水是一種比較復雜的運動過程，處置不當，容易發(fā)生事故。常見的事 故有船舶尾落、首跌落、船底局部結構受損、船側撞壞等。由于氣囊下水是一種 新的技術，主要依靠著實踐經(jīng)驗的積累，幾乎未進行理論和實驗的研究，盡管已 有2萬噸級的船舶利用氣囊下水的成功案例，但因缺乏研究和行業(yè)管理，該技術 沒有明確工藝和規(guī)程，主要是靠經(jīng)驗操作，故而事故頻發(fā)。隨著氣囊承載力的提 高，采用氣囊下水的船舶愈來愈大，風險愈來愈高。發(fā)達國家的船東常常不相信
氣囊下水的技術，認為該方法對船舶結構有損傷，不許采用，因此，也影響了中 小船廠出口船舶的制造。
鑒于此，國防科工委在制訂即將實行的《船舶生產(chǎn)企業(yè)基本條件評價要求》 時，對氣囊下水的上限擬作出明確的規(guī)定，對于一類船廠不得使用氣囊下水，二 類船廠可以采用氣囊下水，但船長不得超過180米。這一限制不僅對于剛剛起 步的浙江民營造船業(yè)來說是一次巨大的打擊，對于整個浙江船舶工業(yè)也是一次重 創(chuàng)。對于船長小于180m 的船舶，《船舶生產(chǎn)企業(yè)基本條件評價要求》規(guī)定二類 企業(yè)雖然允許采用氣囊下水，但要求船舶生產(chǎn)企業(yè)采用該辦法的同時需要進行論 證或計算，以保證船舶的安全。省主管部門按照國家的要求，進行低質量船舶的 治理整頓，急需氣囊下水安全評估的方法和程序，企業(yè)急需氣囊下水工藝規(guī)程和 船臺改造的依據(jù)，
基于上述背景，考慮到浙江船舶工業(yè)的實際情況，本文將致力于氣囊下水的 安全性研究。本文的研究意義在于：
1)通過系統(tǒng)的理論和實驗研究，揭示氣囊下水的力學機理，提高氣囊下水 的科學性，確保船舶氣囊下水安全，最大程度地避免船舶氣囊下水的事故。
2)為國家制訂《船舶生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)條件基本要求》有關氣囊下水的上限提 供依據(jù)，為管理部門的決策提供參考。
3)提出適宜氣囊下水的船臺方案，降低浙江民營船舶企業(yè)的投資成本。
1.3 國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
上世紀90年代以來，國內不少單位對船舶下水的安全性進行了研究。哈爾濱工程大學、武漢理工大學、上海交通大學、中國船舶研究中心均對許多船舶滑 道下水做過實船和模型試驗，提出了模型試驗的相似準則和船舶下水的水動力學 計算方法，可較準確的預報船舶下水的運動規(guī)律。滬東造船廠杜忠仁、上海交大 的顧永寧提出了彈性船體梁的計算方法，初步解決了船體和滑道的接觸范圍和支 反力的問題。但是，這些研究都是針對傳統(tǒng)的滑道下水。對于氣囊下水，當船舶 在重力或鋼索牽引力的作用下向下或向上移動時，氣囊與地面的接觸表面并不產(chǎn) 生相對位移，只是整個氣囊產(chǎn)生“剪切變形”。由于氣囊的囊壁既柔軟又富有彈 性，這種復雜的過程用“柔性蠕動”來形容是非常恰當?shù)摹４藭r船舶移動的阻力 主要取決于囊壁抗扭變的能力、使用氣囊的尺寸和數(shù)量。而與地面的狀況(土質、 不平度)關系不大。這一特點導致氣囊下水產(chǎn)生許多新的問題，有待研究。
1998 年濟南昌林氣囊容器廠與中船總公司綜合技術經(jīng)濟研究院總結了多年 的實踐經(jīng)驗，共同起草提出了適用于3千噸以下船舶用氣囊上排、下水的工藝操
作規(guī)程《船舶用氣囊上排下水工藝要求》 (CB/T3837-1998), 從1999年6月1 日起開始實施。這2個規(guī)程對指導船舶氣囊下水過程、保證氣囊下水的安全性起 了很大的作用，但是該規(guī)程僅適用于3千噸以下船舶，不能解決目前1萬噸以上 的船舶的下水問題。
2001 年李明忠等對500 噸沿海集裝箱船氣囊下水的摩擦力進行了分析計 算，2004 年江躍飛等介紹了氣囊下水工藝及其操作程序和注意事項。這些研究 只局限在對氣囊下水規(guī)程所規(guī)定的操作一些驗算，沒有對整個氣囊下水在運動過 程中的力學問題進行系統(tǒng)地研究、分析，無法對氣囊下水的安全性作出準確的評 估，不能適應船舶建造質量控制高標準的要求。也沒有對氣囊下水的上限作出較 為明確的預測。有關氣囊下水工藝對船舶結構的影響和伴隨造船工藝方面的變 化，還沒見報道。
由于世界造船中心從工業(yè)化國家逐步向后起工業(yè)化國家轉移，發(fā)達國家造船
越來越少，他們主要是用船塢造十萬噸以上的大船，已不再造幾萬噸的船舶，即 使造這樣的船舶，也是用傳統(tǒng)的滑道下水，不用由我國新近發(fā)明的氣囊下水技術， 所以國外關于船舶氣囊下水的研究未見報道。
查新結果表明，國內除了浙江工業(yè)大學已開展此項研究之外，尚未見有關研 究的報道。
本文為浙江省重大科技項目“船舶氣囊下水技術研究與應用”資助。
1.4本文的主要內容
本文全面考慮了船舶氣囊下水安全性的各種影響因素，采用靜水力學方法進 行下水計算。該方法將船體視為剛體，僅考慮船體所受的重力、浮力和滑道的支反力，在船體下滑的一系列位置進行計算。盡管這種方法在力學模型上作了簡化， 但卻能反映了船舶下水的基本過程。本文一方面通過對船舶氣囊下水過程的理論 分析，對下水過程的安全性作出準確地評估；另一方面優(yōu)化氣囊下水工藝，提出 船舶氣囊下水的船臺改造方案。
主要研究的內容包括：
1)船舶氣囊下水過程的靜水力分析：編制實用的船舶氣囊下水靜水力計算 程序，進行船舶氣囊下水4個階段的力學分析，揭示氣囊下水的規(guī)律。
2)船體結構強度分析：構造關鍵艙段有限元模型，根據(jù)計算出的氣囊反力 的大小和作用范圍、重力和浮力等外部載荷，用結構有限元法計算船底局部結構 的應力：
3)通過對5次船舶氣囊下水的實測結果的對比，驗證計算程序的準確性。 4)提出適宜氣囊下水的船臺改造方案，進行船臺改造后的計算。
最后，通過對實測和計算結果的比較、分析和總結，得出氣囊下水一些結論， 并對后續(xù)工作進行了展望。
1.5 創(chuàng)新點
本文的創(chuàng)新點主要有：
1)編制實用的船舶氣囊下水靜水力計算程序，進行船舶氣囊下水4個階段 的力學分析，揭示氣囊下水的規(guī)律。
2)構造關鍵艙段有限元模型，用結構有限元法計算船體結構的應力。
3)較全面地考慮氣囊下水時各種參數(shù)的影響，提出適宜氣囊下水的船臺改 造方案。
第2章船舶氣囊下水過程的靜水力分析
2 . 1氣囊下水階段分析
本文介紹的是以剛性船體對船舶姿態(tài)的分析方法0,這種方法根據(jù)下水過程 中作用力的變化以及可能發(fā)生的危險情況，把船舶縱向下水分為四階段分析研 究：
第一階段，自船開始下滑到船尾接觸水面為止。如圖2.1.1,通過調整氣囊 的初始壓力，船舶自行下滑，船舶受氣囊反力和重力作用，在這一階段氣囊反力 和重力構成平衡。
[attach]8354[/attach]
圖2.1.1 下水第一階段
第二階段，船體尾部接觸水面到船尾開始上浮為止。如圖2.1.2 所示，船 受到重力，氣囊反力和浮力的作用。隨著船體入水長度的增長，浮力逐漸增長， 同時氣囊跟隨船舶運動，各個氣囊反力不斷變化，不過總的支持力在逐漸減少， 氣囊反力與浮力一起跟重力平衡。在船舶重心離開船臺末端的瞬間，船舶浮力小
于船舶重量，因此就會出現(xiàn)船尾猛然跌落現(xiàn)象，叫做尾落。
[attach]8355[/attach]
圖2.1.2 下水第二階段
第三階段，船尾上浮的整個階段。如圖2.1.3 所示，船受到重力、浮力和氣 囊反力。這一階段后期有可能出現(xiàn)兩種情況：
1) 船首經(jīng)過船臺末端之前，船舶已經(jīng)完全浮起，順利地漂在水中。
2) 在船首離開船臺末端的瞬間，船舶浮力仍小于下水中重量，因此就會出現(xiàn)船 首猛然跌落現(xiàn)象，叫做首落。
[attach]8356[/attach]
圖2.1.3 下水第三階段
第四階段，從船位上浮結束到船舶停止運動為止。如圖2.1.4所示，船受到 重力、浮力，搖擺慣性力和剎車裝置制動力的作用。
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圖2.1.4 下水第四階段
需要注意的是，此四個階段都有必須注意的安全問題，第一階段應避免因下 滑力不夠而不能起滑或中途?；?；第二階段應避免尾落現(xiàn)象發(fā)生，以及過大的氣 囊反力引起對船體結構破壞或氣囊炸裂；第三階段應注意是否有首落；第四階段 應計算全浮后船的沖程和穩(wěn)性等0。
本文后面提出的船臺改造就是針對第二、第三階段出現(xiàn)的問題，主要討論了 如何避尾落、首落的現(xiàn)象發(fā)生，以及發(fā)生以后怎樣改造使得船體結構受到的損害
最小。
2.2靜力學下水平衡方程
2.2.1下水過程受力分析
如圖2.2.1所示，船體在下水過程中的受力主要是：船體的重力，水對船體的 浮力，下水氣囊對船體的支持力，水對船體的粘性阻力和因附加質量變化而產(chǎn)生 的軸向質量力。船體的重力G,G是下水船舶各部分重量的合力，沿船臺方向的分力 即為下滑力。浮力F是船體入水部分所受水靜壓力的合力；在下水過程不同的時 刻，由船舶的前后吃水再通過邦戎曲線得到船舶排開水的體積，從而得到浮力F。 氣囊支持力N指在船臺上的氣囊對船舶提供的支持力，在不同的時刻每個氣囊所 提供的支持力大小各不相同，各個氣囊提供的支持力取決與氣囊受壓后的高度和 剛度而得到。本文所做的靜力學計算忽略了水對船體的粘性阻力和因附加質量變 化而產(chǎn)生的垂向質量力。
[attach]8358[/attach]
圖2.2.1氣囊下水過程船體受力分析
2.2.2下水過程靜力學方程的建立
本文的靜力學計算只考慮船體自重、浮力以及受到的氣囊反力，計算時以 肋位為單位累積計算。如圖2.2.2所示，建立直角坐標系，原點0在船臺端點處，x 軸為水平面，船臺相對與水平面的傾角為a, 船舶基線相對與船臺的傾角為β。
在船體的基線方向的法線方向上建立平衡方程，將重力、浮力以及氣囊的支持力 投影到該方向，則可以得出方程(2-1);
[attach]8359[/attach](2-1)
其中m; 是每個肋位的重量， F; 是每個肋位的浮力， N, 是每個肋位氣囊的 支持力。
在船舶基線方向，浮力、重力和支持力對船臺端點取矩，得到以下的方程：
Zmgcos(a+β)x-ZFcos(a+β)x?-ENx?=0 (2-2)
其中x;是每個肋位到船臺端點的距離；
[attach]8360[/attach]
圖2.2.2氣囊下水過程受力分析的坐標系
2.3氣囊支持力的計算
2.3.1氣囊計算的假定
1)氣囊是兩端為錐體的長圓柱體，萬噸級以上船舶下水主要采用L=15-20 米的氣囊，錐體部分占比例很小(體積比為5%左右),因而，討論時暫不考慮圓 錐部分，將氣囊簡化為圓柱型；
2)氣囊是一個密封的空氣系統(tǒng)，氣體是理想氣體；
3)氣囊橡膠囊體無重量：骨架層簾線不可拉伸，即囊體橫剖面母線長度和 氣囊的長度均是常數(shù)；氣囊囊體橫剖面的非受壓部分在變形過程中仍保持圓形不 變；氣囊圓柱部分全長承載、均勻受平面壓縮變形。
2.3.2氣囊支持力的公式
氣囊支持力是指氣囊在下水過程中壓縮至不同高度時產(chǎn)生的對船舶的實際 支持力N 。在船舶下水氣囊滾動受壓加載的過程中氣囊內氣體質量不變，囊體 的外形發(fā)生變化，氣囊的有效承壓面積S 、囊內氣體的體積與囊內氣體表壓力P 都發(fā)生相應的改變，達到新的平衡。當氣囊在垂向變形△h 時，氣囊的載荷變?yōu)椋篘(Ah)=P(Ah)S(Ah) (2-3) 根據(jù)氣體狀態(tài)方程，對于氣囊內固定質量的氣體，氣囊在垂向變形△h 時，
(P(△h)+PV"=(P+P?)V?
(2-4)
其中：P(△h),V分別為氣囊變形后氣體的表壓力和體積；R,% 分別為壓力和
體積的初始狀態(tài)值，P 為大氣壓力，n為理想氣體冪指數(shù)，其值取決于氣囊變形 的速度：
V?、V、S值由式(2-5)、(2-6)與(2-7)確定，
[attach]8361[/attach] (2-5)
[attach]8362[/attach] (2-6)
[attach]8363[/attach] (2-7)
S =BL (2-8)
其中：L為氣囊長度；H為氣囊工作高度；內壓P 是氣囊實際工作壓力，其值應 小于等于許用工作壓力P, 對一定直徑D的氣囊，P 值取決于充氣初始壓力P;和 工作高度H, 其計算式如下：
[attach]8364[/attach] (2-9)
當氣囊的變形速率較小，氣體體積變化較慢時，囊內氣體可以與外界進行充 分的熱交換，囊內氣體的溫度與外界保持一致。因此，囊內氣體的變化過程可視 為等溫過程，n取等溫系數(shù)，n=1。當氣囊的變形速率很大，囊內氣體體積變化 劇烈時，囊內氣體來不及與外界進行熱交換，因此氣體變化過程可視為絕熱過程， n=1.4。氣囊變形速率越大，越接近絕熱過程。因此，計算氣囊的靜載荷和靜剛 度時n 取1,計算氣囊的動載荷、動剛度時n 取多變指數(shù)，在1.0-1.4之間取值。 計算下水過程氣囊剛度時，n是一個變量，根據(jù)測試的幾艘船舶下水過程氣囊壓 力變化曲線分析，氣囊壓力的最大變化率約為0.08MPa/s,在下水過程中氣囊承 載顯著增加，氣囊高度進一步壓縮，直至壓力達到頂峰，高度再降到最低，歷時 約10s, 考慮下水氣囊體積是分階段變化的，估計n 值在1.1-1.3。
氣囊支撐力F, 單位為t
[attach]8365[/attach](2-10)
2.4下水過程浮力的計算
[attach]8366[/attach]
圖2.4.1 浮力計算
如圖2.7,浮力的計算主要依靠邦戎曲線(3-16),邦戎曲線主要用來計算船舶 在縱傾及波浪情況下的排水體積和浮心位置，它包含兩組曲線，
(1)橫剖面面積曲線
每條曲線代表各站在不同吃水時橫剖面面積的聯(lián)線。
(2)橫剖面面積對基線面的靜力矩曲線
每條曲線代表各站在不同吃水時橫剖面面積對基線面靜力矩的聯(lián)線。
在實際計算時采用表格的形式。根據(jù)已知的邦戎曲線，以及吃水高度h在船 舶基線的法線方向上的分量高度，可以求出每個肋位的浮力。根據(jù)邦戎曲線可以 得到船舶每一站在一定水線下的排水體積，本程序中初始輸入20站不同水線高度 的排水體積，在計算每個肋位的浮力時，用了該肋位附近幾站的數(shù)值做插值計算， 計算每個肋位在特定高度水線下的排水體積后再乘以肋位寬度就能求出浮力。
船底板的強度計算：受氣囊反力作用的船底板，可視為四周剛性固定的剛性 板來計算，且由于氣囊尺寸與船底板格尺寸相當，計算時相當于四邊剛性固定的 板受均勻面荷載作用。根據(jù)板彎曲理論，四邊剛性固定的板受均勻面荷載作用時 候，支座橫向應力、支座縱向應力、中點橫向應力、中點縱向應力之中，支座橫 向應力最大，本程序為了計算方便使用了近似公式，在第六章中會將近似計算結 果和有限元程序計算的結果進行對比，支座橫向應力近似公式如下：
[attach]8367[/attach] (2-11)
支座縱向應力近似公式：
[attach]8368[/attach] (2-12)
中點橫向應力近似公式：
[attach]8369[/attach] (2-13)
中點縱向應力近似公式：
[attach]8370[/attach] (2-14)
其中，P 為氣囊作用在相應肋位的換算荷載，單位為kN;1 為相應肋位的換算長 度；s;為縱骨間距：s? 為肋板間距；t為船底板厚
第5章 氣囊下水影響因素及船臺改造
5.1 船臺改造概述
氣囊下水船臺制造比較簡單，建造周期短，下水以后氣囊可以收回重復使用， 經(jīng)濟集約。由于是一種新的技術，主要是靠經(jīng)驗操作，故而事故頻發(fā)。隨著氣囊 承載力的提高，采用氣囊下水的船舶愈來愈大，風險愈來愈高。氣囊下水自推廣 以來，船臺主要的形式如圖5.1.1所示。
[attach]8371[/attach]
圖5.1.1 傳統(tǒng)氣囊下水船臺
這種船臺形式簡單、制造方便，但是也有缺點。在實際使用時，氣囊下水 的常見事故主要有：?；?、氣囊爆裂、觸地、側碰、嚴重尾落、船底受損、側向 漂移后碰撞、船首板架受損等等。造成這些事故的原因有很多，比如氣囊自身的 剛度，下水初始時刻氣囊的布置等等，本文的船臺改造能主要解決的問題是船底 受損(圖5.1.2)和船首板架受損(圖5.1.3)。
[attach]8372[/attach]
圖5.1.2船底受損
[attach]8373[/attach]
圖5.2.3 改造后的二折折線型船臺
提出這些改造的形式主要的想法是在船底或船首板跌落發(fā)生時，下面有氣 囊支持，使得破壞不發(fā)生。從理論上來說，拋物線型的船臺比折線型的船臺在氣 囊下水時有好的力學性能，因為拋物線只要有適合的凸度，且與上面的直線有恰 當?shù)倪B接，會使得船臺在下去的時候，氣囊提供更大的支持力。氣囊的支持力主 要和初始壓力跟高度有關，比較凸的拋物線能使得氣囊高度減小的比較慢，所以 從理論上來說，這種形式最適合。
5.3 船臺改造的數(shù)值模擬計算
5.3.1 船臺改造計算原理
氣囊下水計算的一個比較關鍵的問題是確定下水每個時刻氣囊的位置以及 船舶的姿態(tài)。在船舶下水以后，船舶阻止了氣囊的繼續(xù)前進，而且此時氣囊被船 舶壓在水里，氣囊此時的浮力是大于重力，但是由于船舶已經(jīng)入水，此時氣囊只 能貼著船底板，使得氣囊在船臺末端前一段距離相對靜止排列。具體情形如圖 5.3.1所示。造成船底受損和船首板架受損主要原因是此時船舶翻轉的傾角比較 大，下面氣囊提供的支持力不夠，船舶只能往下翻轉，取得更大的浮力，來獲取 新的力和力矩的平衡，所以船臺改造的主要方向是增加船舶在翻轉時刻的支持 力。氣囊下水時，在重心過了船臺末端以后，此時的慣性矩會突然增大，此時傾 角比較大，那些相對靜止氣囊會被壓到折線船臺的前面一段，提供一定的支持力， 使得力和力矩得到新的平衡，從而降低了船底受損的可能性。根據(jù)這種船臺改造 的想法，在原有的船舶氣囊下水程序上做了一些改動，增加了船舶下水以后部分 氣囊的支持力。
5.3.2船臺改造計算考慮因素
本文做計算時候考慮的主要因素有：
a)下水時刻水船臺位的高低；
b) 船臺的坡度；
c) 初始時刻氣囊的布置；
5.3.3船臺改造實例計算
本章計算的實例景山五號的參數(shù)同第四章第三節(jié)。在所有的計算之前，首 先是決定改造后船臺的形式，選擇的類型有三種，選擇的目標是如何使氣囊反力 在合理的范圍內最大。氣囊反力主要決定因素有高度和初始壓力，初始壓力一開 始就確定，氣囊的高度確隨著氣囊與船舶的共同運動而不停的改變。原氣囊高度 由船臺延長線與船底板線決定如圖5.3.1所示(忽略船底板的彎曲)改造船臺以 后，船臺增加段的氣囊計算高度為原來的計算高度加上額外的一段，如圖5.3.2、 5.3.3、5.3.4 所示不考慮其他因素的改變，僅計算圖5.9、5.10 兩種。其中折 線型船臺坡度比例取1比6,延伸段長1.5m; 拋物線型船臺取直徑為3m 的四分 之一圓弧，且連接處與原船臺相切，僅計算低水位情況，選擇水位高度0.1m,
計算結果如圖5.3.5所示。
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圖5.3.1 氣囊工作高度的確定
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圖5.3.3二折船臺的氣囊工作高度
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圖5.3.2 拋物線型船臺的氣囊工作高度
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圖5.3.4三折船臺的氣囊工作高度
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肋 位 號
圖5.3.5 拋物線、折線型船臺計算對比
通過上述結果可以看出，拋物線型船臺比折線型更好，能使船舶下水時傾角 更小，翻轉較小，同時船底板應力更??；但是，考慮到實際情況，選擇折線型船 臺繼續(xù)計算。主要理由如下：
a) 氣囊下水主要是由于船臺施工方便、簡單，折線型船臺施工的精度要求 不會有拋物線型的要求這么高，易于推廣；
b) 通過實際的計算比對，低水位情況下，船底板應力差最大不超過5%;
c) 要使得下水時刻水位有一定的高度，完全可以彌補折線與拋物線之間的 差距，換言之， 一定水位后，折線型、拋物線型完全相同；
所以下面的計算采用折線型的船臺。折線型船臺也可以有一折或者兩折的形 式，這里采用了二折的形式的折線型船臺。
確定改造后船臺形式后，計算考慮的主要因素有：氣囊布置、船臺坡度與水 位高度等；其中氣囊布置主要考慮氣囊的初始壓力、初始位置。船舶建造完成以 后，下水動力主要依靠初始時刻氣囊壓力的改變，部分氣囊抬高，部分氣囊下降， 使得船舶在縱向產(chǎn)生了一個重力的分力，促使船舶向前慢慢運動。 一般來說，在 下水初始時刻，氣囊壓力分布呈階梯狀，前面的三、四個氣囊壓力低于平均壓力， 最后幾個氣囊的壓力高于平均壓力，在他們之間的氣囊壓力基本相當。本程序中 的氣囊調整系數(shù)主要是反映了中間氣囊的初始壓力，即初始時刻，中間的氣囊壓 力的平均壓力。氣囊間距，主要反映氣囊的位置，本程序有兩種定位氣囊的方式， 一種是直接輸入氣囊的間距，氣囊位置會自動生成，另也可以大致按照肋位號， 準確輸入氣囊位置。在做研究的試算時，為了簡化起見，主要使用了前者，即只 輸入間距，自動生成氣囊位置。通過固定氣囊初壓，改變氣囊間距，以及固定間 距，改變初壓；大致估算出氣囊間距在2m 到2.5m時，氣囊調整系數(shù)在0.8到1file:///C:/Users/NO1/AppData/Local/Temp/ksohtml29740/wps36.png
之間，船底板應力(本文中所說的船底板應力是指在整個下水過程中最危險時刻 船底板最大應力)維持在鋼材屈服強度以下，計算結果如圖5.3.6。
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氣囊調整系數(shù)
圖5.3.6氣囊布置對氣囊下水的影響
具體數(shù)據(jù)如下表5-1:
表5-1氣囊布置對氣囊下水的影響
根據(jù)上述數(shù)據(jù)，考慮到氣囊實際直徑1.5m, 實際排列在2m在下水時候會產(chǎn) 生氣囊互相碰撞、壓擠的可能性，取氣囊間距2.5m, 氣囊調整系數(shù)1繼續(xù)計算。 確定氣囊的布置以后，下水取決因素主要是船臺坡度與水位高度。固定船臺坡度 中的一折，水位高度分別取-0.2m 、0 、0.2m; 計算結果如表5-2;
表5-2船臺坡度改變對氣囊下水的影響
| -0.2 | 0 | 0.2 |
| | | 發(fā)生 肋位 | 氣囊壓力 (MPa) | 發(fā)生 肋位 |
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | | | | |
取其中1/25一折固定，改變第三折坡度，水位高度分別取-0.2m 、0 、0.2m 繼續(xù)計算；計算結果如表5-3:
表5-3船臺坡度改變對氣囊下水的影響
| -0.2 | 0 | 0.2 |
| | | 發(fā)生 肋位 | 氣囊壓力 (MPa) | 發(fā)生 肋位 |
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | | | | |
從以上的計算結果可以看出，選擇了適當?shù)牡诙鄞_以后，第三折在一定 范圍內的變化對實際氣囊壓力減小的效果不明顯。
綜上所述，水位在較高水位時，不論船臺如何布置，總能比較順利的下水， 所以一般來說，為了使船舶能安全順利下水，要求水位盡量高；但是，在實際條 件不允許、實際水位比較低時，在使用改造后的三折船臺時，第二折坡度取1/25 左右是比較合適的，第三折建議坡度大于1/10。
5.4 結束語
在實際計算中，通過計算得到的最大應力會超過鋼材的屈服極限，但是，如 果實際情況確實只能在這個水位下水時，下水并非不可能，因為通過計算，超過 屈服極限這一段比較短，只要根據(jù)當時能滿足的水位條件，計算整條船下水過程 的船底板應力，選擇其中最危險的區(qū)域，然后把相應的船底部結構加強，在縱骨 之間分別增加一道縱骨，即整個底部增加四道縱骨。根據(jù)板的彎曲理論可知，受 均布荷載的四邊剛結的固定板，其彎曲應力與板寬成正比，因此增加縱骨后可使板寬減少一半，應力降低為原來的四分之一。本例中相當于從肋位80到100之 間的船底板加密，對于船的總體造價影響不大，就可以使得船底板應力在屈服極 限內：但是通過上述的局部改造還有兩個要考慮的問題： 一個就是增加了縱骨以 后重量發(fā)生變化，因為船底板局部應力突然變大的根源就是重力，特別是這一段 的重力，所以雖然增加的重力很小，但是還要重新計算這一段的船底板應力：另 外一個前提就是氣囊的承載力足夠，從目前來看，就算船底板應力能滿足條件， 氣囊的承載力是遠遠不夠，所以就沒有繼續(xù)計算下去提出船底部改造的方案，因 為氣囊的極限承載力不是本文要討論的范圍，故本文中只提到氣囊承載力的計 算，并不討論氣囊的極限承載力；上面提出負水位強行下水時，可以通過減小板 格尺寸降低船底板應力，但是并不能降低氣囊的反力，換句話說，實際情況要保 證氣囊不發(fā)生安全事故。當然隨著科技的進步，氣囊的承載力也必然會突飛猛進 的發(fā)展，所以，以后就算是負水位，在一定的范圍內只要通過計算，在船底板一 定的部位加固以后，就能安全下水。
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