青島永泰長榮
標(biāo)題: 船舶氣囊下水運(yùn)動(dòng)受力計(jì)算與校核 [打印本頁]
作者: 永泰長榮 時(shí)間: 2023-12-30 17:37
標(biāo)題: 船舶氣囊下水運(yùn)動(dòng)受力計(jì)算與校核
在氣囊下水過程中，如何計(jì)算氣囊受力變化情況，保證氣囊下水的安全性一直是一個(gè)亟待解決的課題。分 析了船舶氣囊下水過程，研究了在移船過程中氣囊布置數(shù)量、間距、所受壓力以及承載力的變化，并以某型船為 例，進(jìn)行了氣囊受力計(jì)算，校核了氣囊壓力，論證了下水的安全性。
關(guān)鍵詞：船舶；氣囊下水；受力分析：承載力計(jì)算
Abstract: It remains an urgent task to find a way to calculate the force changes of the airbags during the launching process so as to ensure the safety of the ship.This paper analyzes the process of ship launching by airbags and studies the influence of airbag quantity and spacing on pressure variation and bearing capacity variation;and takes a certain type of ship as an example to calculate the force and check the pressure of the airbags so as to prove the safety of the launching process
Keywords: ship;launching by airbags;force calculation;bearing capacity calculation
船舶下水是船舶建造過程中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)， 傳統(tǒng)的下水方式主要是縱向重力式下水，即船舶在 本身重力的作用下沿船臺(tái)傾斜滑道滑入水中。但是 傳統(tǒng)的船臺(tái)成本造價(jià)較高，尤其船臺(tái)需要配備專用 的下水裝置，使其成本進(jìn)一步增加。于是，氣囊下 水這一創(chuàng)新型的船舶下水方式應(yīng)運(yùn)而生，而且一套 設(shè)備可以供多個(gè)船臺(tái)使用，大大節(jié)省了投資，縮短 了建造周期。
我國氣囊下水技術(shù)研究始于上世紀(jì)八十年代，
初期主要應(yīng)用于中、小型船舶的下水作業(yè)，隨著下 水氣囊的承載能力逐漸提高，下水船舶自重已超過 萬噸?！洞坝脷饽蚁滤に嚥僮饕?guī)范》標(biāo)準(zhǔn)業(yè)已 發(fā)布，常用的船體受力計(jì)算方法有寬支座彈性計(jì)算 方法2、基于有限元技術(shù)的全船結(jié)構(gòu)分析方法問等 等。對于氣囊下水安全性的研究也多基于船舶靜力 學(xué)原理14.]。而對于下水過程中的氣囊受力安全性分 析研究僅停留在靜態(tài)分析上，很少論及氣囊的動(dòng)態(tài) 壓力變化。
本文對船舶在氣囊下水移船過程中氣囊動(dòng)態(tài) 受力作了分析與計(jì)算，并驗(yàn)證了氣囊承載安全性。
1 船舶氣囊下水過程受力分析
與以往滑道下水采用支墩、支架和滑道承載船 舶的方式不同，氣囊下水是在船底布置一定數(shù)量氣 囊以承載船體，并依靠船舶自重下滑下水或者利用 卷揚(yáng)機(jī)牽引控制下水的一種工藝，如圖1所示。
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圖1 氣囊下水
當(dāng)船舶采用氣囊縱向重力式下水時(shí)，通常先用 氣囊將船舶支撐起預(yù)定高度，然后撤墩木，在下滑 力作用下移至潮位線，等待達(dá)到預(yù)定潮位后，船舶 隨即起動(dòng)，此時(shí)船舶受到浮力、重力、摩擦力、氣 囊承載力的作用，船體姿態(tài)一直處于變化之中，并 無明顯的船艉起浮點(diǎn)，因此自船舶開始起動(dòng)下滑至 船艏脫離最后一只氣囊為止劃為一個(gè)階段，氣囊縱向重力式下水分為三個(gè)階段：
第一階段，自船舶起墩至船艉抵達(dá)預(yù)定潮位線 附近。船體平行于船臺(tái)滑道，在卷揚(yáng)機(jī)的牽引下依 靠自身重力勻速下滑。在卷揚(yáng)機(jī)的牽引下，緩緩移 動(dòng)船舶至預(yù)定潮位線。在此過程中，需要在船舶前 進(jìn)路線上，不斷鋪設(shè)氣囊，直到預(yù)定位置。
第二階段，自船舶啟動(dòng)入水至船艏脫離最后一 只氣囊支撐。船體不再平行于船臺(tái)運(yùn)動(dòng)。這個(gè)階段， 船舶開始受到浮力作用，并且還分別受到船舶自 重、所受浮力以及氣囊承載力對于船舶重心的力 矩。
第三階段，自船舶全浮至船舶停止運(yùn)動(dòng)為止。 這一階段，船舶全浮以后，在慣性作用下繼續(xù)向前 運(yùn)動(dòng)，故應(yīng)采取適當(dāng)措施制動(dòng)船只。
在整個(gè)氣囊下水過程中，船舶主要的受力為： 船舶自身重力、船體所受氣囊的承載力、水對船體 的浮力以及水對船體的黏性阻力等等。船舶重力是 船舶下水各部分重量的合力，沿下滑方向的分力為 下滑力，垂直于下滑方向的為對氣囊的正壓力；浮 力是船體各部分所受靜水力的合力，在不同的下水 階段，由船舶前后吃水根據(jù)邦戎曲線可查到此時(shí)船 體排水體積，進(jìn)而得到船舶所受浮力大小。另外船 舶重量沿船長方向分布，因此，在不同的時(shí)刻，每 個(gè)氣囊所提供的承載力也各不相同，處于動(dòng)態(tài)變化 當(dāng)中。各個(gè)氣囊提供的承載力取決于氣囊受壓后的 高度和工作壓力。
本文主要針對移船過程進(jìn)行分析，考慮船舶自 重、氣囊承載力以及氣囊承載力對于船舶重心的力 矩。
2 氣囊下水計(jì)算
船舶采用氣囊下水前，下水設(shè)備應(yīng)布置妥當(dāng)。 滑道坡度盡量適應(yīng)船體龍骨線線型， 一般取為 1/12~1/244,具體視船型而定。大船的滑道坡度一 般較小，以免船艏離地過高，影響施工；另外，假 如滑道坡度過大，當(dāng)船舶部分入水以后容易發(fā)生艉 跌現(xiàn)象。
對于氣囊數(shù)量和布置位置的選擇，要求總承載 力不小于下水船舶自重的1.2 倍，每只氣囊承載力 對船舶重心力矩之和不大于設(shè)計(jì)水線長與船舶自 重乘積的3%
2.1 氣囊在滾動(dòng)過程中的受力分析
由于氣囊制作的微小差異以及所處位置地面
的不平整等原因，不可能保證每個(gè)氣囊所受壓力都 相等，只能是基本相同。另外船體重量沿船長縱向 分布，因此，下水過程中在不同部位布設(shè)的氣囊壓 力是不斷變化的。計(jì)算校核氣囊所受壓力是否處于 額定安全工作壓力以內(nèi)，對于驗(yàn)證氣囊下水的安全 性至關(guān)重要。
假定在理想情況，簡化氣囊模型。
1)假定氣囊是圓柱式平衡彈性體，囊體為均質(zhì) 材料，受力時(shí)，囊壁不發(fā)生拉伸變形，徑向周長不 變；
2)假定每個(gè)氣囊沿同一條中和軸滾動(dòng)；
3)假定氣囊滾動(dòng)過程中各個(gè)氣囊滾動(dòng)速度一致，無扭轉(zhuǎn)、打滑現(xiàn)象發(fā)生。
2.2 滾動(dòng)氣囊的布置數(shù)量、間距
2.2.1 氣囊數(shù)量布置計(jì)算
船舶移動(dòng)時(shí)，氣囊數(shù)量可按下式1計(jì)算：
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(1)
式中：N——滾動(dòng)氣囊的數(shù)量，只； K?——系數(shù)， K?=1.2~1.3;Q— 船舶下水重量，t;g—— 重力 加速度，m/s2;C,——船舶方形系數(shù)；R——每米 氣囊允許的承載力，kN/m;La—— 在船舶腫剖面 處氣囊與船舶接觸的長度， m。
2.2.2 氣囊間距校核
當(dāng)氣囊數(shù)量選定以后，如何布置氣囊，設(shè)定氣 囊間距，以保證船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止在船舶移動(dòng)過 程中，氣囊擠壓沖撞。
校核氣囊間距公式 [attach]8345[/attach]
[attach]8346[/attach]
(2)
(3)
式中：L——下水船舶底部適合填放氣囊的長度， m;N—— 滾動(dòng)氣囊數(shù)量，只； D——滾動(dòng)氣囊囊 體公稱直徑， m。
2.3 氣囊承載力與力矩
根據(jù)船舶長度以及船舶自重沿船長的分布情 況，并結(jié)合氣囊工作壓力以及在船底布置位置與 工作長度、高度，計(jì)算出氣囊工作壓力、承載力 以及與船舶重心的力矩，編制出船舶氣囊下水計(jì) 算表。[attach]8347[/attach]
(4)
力矩：[attach]8348[/attach]
式中： B——
氣囊的工作高度，m;p—- 氣囊的工作壓力，MPa; X?—— 氣囊距船體重心的距離， m.
表 1
3 實(shí) 例
為了便于進(jìn)一步了解船舶氣囊下水時(shí)氣囊的動(dòng) 態(tài)壓力變化情況，驗(yàn)證氣囊下水的安全性。現(xiàn)以某 型船為例進(jìn)行說明。此船下水時(shí)的主要數(shù)據(jù)見表1。
船舶參數(shù)
常用的船體近似算法有梯形法、辛氏法和乞氏法 3種?，F(xiàn)用梯形法，利用 Matlab 軟件間，由船體型 值點(diǎn)，計(jì)算出此船重量沿船長縱向分布情況，見圖2。
[attach]8349[/attach]
船長/m
圖 2 船舶自重沿船長分布
3.1 氣囊選定
由于該船腫剖面處船底最大寬度為L?=20m, 氣囊囊頭伸出舷側(cè)不宜過長，略大于氣囊直徑即
可，另外在保證舵、螺旋槳等突出體不著地的前提 下， 一般工作高度不宜小于0.3m。據(jù)此，用了“昌 林牌”CL-4 型直徑D=1.2m, 長度22m 的高承載 力氣囊 。氣囊安全工作壓力的上限為 P=
0.11MPa, 每米氣囊允許的承載力為R=150kN/m, 確定氣囊工作壓力為0.10MPa。
3.2 氣囊數(shù)量以及布置間距
由公式(1),選定系數(shù)k;=1.2, 則 N≈24.57, 氣囊數(shù)量為24只，另選用2~4只為備用氣囊。此 船適合布置氣囊的長度為L=73.5m, 由公式(2)、 (3)確定最小氣囊間距為3m。
3.3 氣囊下水受力計(jì)算
3.3.1 氣囊承載力計(jì)算
在船舶下水移船過程中，由各工作位置的氣囊 工作長度、高度以及壓力，結(jié)合公式(4)、(5),
得到表2,氣囊距船體重心距離X。 以向船艏為負(fù)， 向船艉為正。
表2 氣囊下水計(jì)算
表2(續(xù))
3.3.2 氣囊壓力變化
移船過程中，氣囊所受壓力時(shí)時(shí)變化。對于適 宜布置氣囊的船長尺度內(nèi)，船舶自重分布如圖3。
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船長/m
圖3 船舶自重分布
[attach]8351[/attach]
船長/m
圖4 氣囊所受壓力變化
由公式： [attach]8352[/attach] (6)
知： [attach]8353[/attach] (7)
利用 Matlab軟件?計(jì)算，得到氣囊所受壓力變
化如圖4。最高壓力為0.1962MPa, 超出了氣囊額 定安全工作壓力的上限0.11MPa, 但是由于其受力 時(shí)間較短，滿足許可要求。
4 結(jié) 語
由氣囊下水計(jì)算表，得出氣囊總的承載力為 F=51820kN, 船舶自重為 Qa=42483kN,F/Q? >1.2;同時(shí)每只氣囊承載力對船舶重心力矩之和為 177260kNm, 小于船舶設(shè)計(jì)水線長與船舶自重乘 積的3%,為187350.03kN-m。計(jì)算結(jié)果表明，提 出的下水力學(xué)模型滿足要求，氣囊額定安全壓力滿 足工作要求。這對船舶氣囊安全下水具有較強(qiáng)的指 導(dǎo)意義。
【參 考 文 獻(xiàn)】
[1] 山東省地方標(biāo)準(zhǔn) DB37/T 998-2008.船舶用氣囊下水 工藝操作規(guī)范[S].
[2] 陳邦桿，司太生.船舶縱向氣囊下水寬支座彈性計(jì)算方 法初探[J]. 廣東造船，2008,(3):47-48.
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[S] 張凱敏，吳劍國，馮 華.船舶氣囊下水安全性的影響 因素研究[J]. 造船技術(shù)，2009,(1):36-38.
[6] 董 森.MATLAB使用詳解：基礎(chǔ)、開發(fā)及工程應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2009.
[attach]7485[/attach]
聲明：以上有關(guān)船用氣囊和橡膠護(hù)舷的資料部分會(huì)青島永泰長榮工廠技術(shù)資料，也有網(wǎng)絡(luò)上搜集下載所得，本著氣囊護(hù)舷行業(yè)資料共享的精神，我們拿出來分享，如有侵權(quán)，請聯(lián)系0532-84592888刪除，謝謝
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