青島永泰長榮
標(biāo)題: 氣囊下水船臺(tái)的形狀優(yōu)化 [打印本頁]
作者: 永泰長榮 時(shí)間: 2023-12-30 17:39
標(biāo)題: 氣囊下水船臺(tái)的形狀優(yōu)化
Abstract: The aspects ofthe shape ofthe airbag launching slipway are anahzed in thispaper,and manyforms are discusedBoth ofthe methocs ofhyurostatics and hydroasmamizs are used to cal cuate theairbog launching tostudytheefectonthesaferyoftheairbaglaunchingcaasedbymanyfoctorssuchastheformsoftheslipweys, thelocationofairhags,theslopeoftheslipweysandsealevel,etcIntheecampleofnso 20.000 DWTbulkcargo.theappropriateformsofthe shapesoftheairbaglaunching slipwayarebroughtupbycomparisonofmany methoads andseries ofcalcwlation.
Key word: ship laamching;slipway;airbag laumching;structural anahysis
氣囊下水是一種新的下水技術(shù).在其發(fā)展的初期，
船臺(tái)沿用傳統(tǒng)的滑道下水船臺(tái)的形式為一直線，只是 深入水中的距離較滑道下水船臺(tái)大大縮短，船臺(tái)形式 如圖1所示.這種船臺(tái)形式簡單、建造方便，但是也存 在船臺(tái)末端缺乏過渡的缺點(diǎn)，當(dāng)下水船舶的重心經(jīng)過 船臺(tái)末端時(shí)，往往氣囊的壓縮量過大，可能出現(xiàn)氣囊 爆裂、觸地等事故，同時(shí)經(jīng)過此處的船底板受到強(qiáng)大 的氣囊壓力，可能導(dǎo)致船底結(jié)構(gòu)受損.近年來，根據(jù)氣 囊下水的特點(diǎn)，各地在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了多 種船臺(tái)改造的方案，但缺乏理論的支撐和方案的比較.
本文根據(jù)靜水力和水動(dòng)力學(xué)氣囊下水的原理12], 編制了氣囊下水程序，對(duì)多種氣囊下水船臺(tái)方案進(jìn)行 計(jì)算和比較，提出了適宜氣囊下水的船臺(tái)改造方案.
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圖1 早期的氣囊下水船臺(tái)
1 氣囊下水船臺(tái)的特點(diǎn)和末端形狀
萬噸級(jí)以上氣囊下水的船臺(tái)應(yīng)考慮的主要因素：
1)船舶能自行滾滑下水(為克服靜摩擦力，必要時(shí) 可施加一定的助動(dòng)推力),萬噸級(jí)以上干式直線型氣囊 下水船臺(tái)的坡度應(yīng)適當(dāng)增加， 一般可取1/100~1.2/100;
2)在設(shè)計(jì)水位下水時(shí)，下水過程不發(fā)生或僅產(chǎn)生 可以接受的艉落和艏落現(xiàn)象，氣囊的工作壓力、承載 力均在安全范圍之內(nèi)；
3)要盡可能保持氣囊下水船臺(tái)低成本的優(yōu)勢(shì)，船 臺(tái)水下部分盡可能短.
4)要適應(yīng)陸地和水域條件的限制，尤其要滿足在 水域狹窄或水深較淺岸線的情況下，氣囊下水環(huán)境安 全要求，船臺(tái)坡道在水線附近的高程要低于設(shè)計(jì)的下 水水位.
5)船臺(tái)各部分要有足夠的強(qiáng)度承載下水氣囊的碾 壓，有足夠的平整度滿足氣囊平穩(wěn)、定向滾動(dòng)要求.
本文重點(diǎn)研究氣囊下水船臺(tái)的末端的形式.分析 表明，造成船底受損的主要原因是在船舶艉落時(shí)，船 體翻轉(zhuǎn)的傾角比較大，氣囊提供的支持力不夠，船舶
只能往下沉并進(jìn)一步翻轉(zhuǎn)，以獲取得更大的浮力，達(dá) 到力和力矩的平衡，所以船臺(tái)改造的主要方向是增加 船舶在翻轉(zhuǎn)時(shí)刻的氣囊支持力.當(dāng)船舶入下水以后，跟 著入水的氣囊脫離了船臺(tái)貼著船底板，排列在船臺(tái)末 端前一段距離內(nèi)，如圖1所示.如果船臺(tái)末端以后再增 加一段過渡段，那些已經(jīng)滾過船臺(tái)末端的氣囊會(huì)被壓 在過渡段上，提供一定的支持力，從而降低船底受損 的可能性.由此提出了
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拋物線型船臺(tái)(圖2)、
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二折線 型船臺(tái)(圖3)、
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三折線型船臺(tái)(圖4)
等多種船臺(tái)末 端形式.下面將通過氣囊下水計(jì)算，優(yōu)選船臺(tái)末端的形 狀，確定有關(guān)參數(shù).
2 計(jì)算方法和實(shí)船數(shù)據(jù)
氣囊下水計(jì)算程序分別按船舶下水的靜水力學(xué)、 水動(dòng)力學(xué)原理，采用VC++編寫而成.該方法將船體視 為剛體，將氣囊作為非線性彈簧，氣囊下水過程中船 體的主要受力如圖5所.建立力學(xué)平衡方程，通過求 解方程獲得船舶姿態(tài)，然后根據(jù)氣囊高度計(jì)算出氣囊 對(duì)船體的支持力，并換算為均布力將其作用于船底板 格，按剛性板理論，用式(1)計(jì)算船底板的應(yīng)力.詳
細(xì)的計(jì)算方法請(qǐng)見文獻(xiàn)[4-6]和課題組的相關(guān)論文.
圖5 船舶氣囊下水中的受力圖
縱骨邊橫向應(yīng)力近似公式如下：
(1)
式中，P為氣囊作用在相應(yīng)肋位的荷載， kN;L 為 氣囊長度，m;/ 為肋板間距，mm;s為縱骨間距，mm; t為船底板厚，mm.
本文以兩條20000 噸級(jí)的散貨船(實(shí)船數(shù)據(jù)見表 1)基礎(chǔ)，分別采用靜水力和水動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行了氣囊 下水的計(jì)算，通過系列地計(jì)算，研究了船臺(tái)形式、氣 囊布置、船臺(tái)坡度與水位高度等因素對(duì)氣囊下水性能
的影響.兩條船的計(jì)算結(jié)果規(guī)律相同，為節(jié)省篇幅，這 里僅列出了實(shí)船1的靜水力計(jì)算結(jié)果，實(shí)船2的水動(dòng) 力計(jì)算結(jié)果.
表1 實(shí)船數(shù)據(jù)
| 實(shí)船1 | 實(shí)船2 |
| 實(shí)船1 | 實(shí)船2 |
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3 船臺(tái)末端形狀的影響分析
3.1 拋物線船臺(tái)和折線型船臺(tái)的對(duì)比
取氣囊下水船臺(tái)的坡度(折線型船臺(tái)的第一折) 為1/100,在其他因素相同的情況下，計(jì)算了圖2所示 拋物線型船臺(tái)(圖2取直徑為3m的1/4圓弧，且連接 處與原船臺(tái)相切),圖3所示二折線型船臺(tái)第二折的 坡度取1比6,延伸段長1.5m;僅計(jì)算低水位情況， 選擇水位高度0.1m, 實(shí)船1采用靜水力程序的計(jì)算結(jié) 果如圖6所示.
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圖6可以看出，拋物線型船臺(tái)比折線型好，能使 船舶下水時(shí)傾角更小，翻轉(zhuǎn)較小，同時(shí)船底板應(yīng)力更 小.從理論上來說，拋物線型的船臺(tái)比折線型的船臺(tái)在 氣囊下水時(shí)有好的力學(xué)性能.因?yàn)闅饽业闹С至χ饕?和初始?jí)毫皻饽覊嚎s量有關(guān)，拋物線只要有適合的 凸度，且與船臺(tái)直線有恰當(dāng)?shù)倪B接，就能使氣囊提供 更大的支持力，比較凸的拋物線能使得氣囊高度減小
得比較慢，所以，這種形式最適合.但是，考慮到實(shí)際 度以下.具體數(shù)據(jù)見表2.
情況，再選擇折線型船臺(tái)繼續(xù)計(jì)算.主要理由：1)氣
囊下水的特點(diǎn)是船臺(tái)施工方便、簡單，而折線型船臺(tái)
施工的精度要求比拋物線型的要求低，易于推廣；2)
通過實(shí)際的計(jì)算比對(duì)，低水位情況下，船底板應(yīng)力差
最大不超過5%;3)若下水時(shí)刻的水位較高，完全可
以彌補(bǔ)折線與拋物線之間的差距，換言之， 一定水位
(如0.2m) 后，折線型、拋物線型完全相同.
氣囊調(diào)整系數(shù)
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圖7 氣囊布置對(duì)氣囊下水的影響
表2 氣意布置對(duì)船底板應(yīng)力的影響
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梯狀，船尾的三、四個(gè)氣囊壓力低于平均壓力，船首 的幾個(gè)氣囊壓力高于平均壓力，在他們之間的氣囊壓 力基本相當(dāng).本程序中的氣囊調(diào)整系數(shù)主要是反映了 中間氣囊的初始?jí)毫?，即中間氣囊初始時(shí)刻的平均壓 力，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整.氣囊間距，主要反映氣囊的位置. 本文采用氣囊下水靜水力程序獲得一系列計(jì)算結(jié)果， 如圖7所示，
計(jì)算結(jié)果表明，氣囊間距在2m~2.5m 時(shí)，氣囊調(diào) 整系數(shù)在0.8~1 之間，船底板應(yīng)力維持在鋼材屈服強(qiáng)
3.3 船臺(tái)坡度與水位高度的影響
根據(jù)上述數(shù)據(jù)，考慮到氣囊實(shí)際直徑1.5m, 如果 氣囊間距為2m 時(shí)，下水時(shí)可能產(chǎn)生氣囊互相碰撞、 壓擠，因此，確定氣囊的布置為氣囊間距2.5m, 氣囊 調(diào)整系數(shù)1.固定船臺(tái)坡度中的第二折，水位高度分別 取-0.2m、0、0.2m; 采用靜水力程序的計(jì)算結(jié)果如表3 所示.將第二折固定為1/20,改變第三折坡度，水位高 度分別取-0.2m 、0 、0.2m繼續(xù)計(jì)算；計(jì)算結(jié)果如表4.
表3 船臺(tái)坡度(第二折)的影響
| 0.2 | 0 | 0.2 |
| | | 發(fā)生肋位 | 氣囊壓力/MPa | 發(fā)生肋位 |
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表4船臺(tái)坡度(第三析)的影響
| 0.2 | 0 | 0.2 |
| | | 發(fā)生肋位 | 氣囊壓力/MPa | 發(fā)生肋位 |
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | | | | |
從表3和表4中的計(jì)算結(jié)果可以看出，選擇了適 當(dāng)?shù)牡诙鄞_(tái)以后，第三折在一定范圍內(nèi)的變化對(duì) 實(shí)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(shí)，不論船臺(tái)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.使用三折船臺(tái)可 以改善船臺(tái)性能，經(jīng)過計(jì)算比較，建議第二折坡度取 1/20左右，第三折坡度小于1/10.
3.4 第二折長度的影響
對(duì)于三折船臺(tái)，本文還計(jì)算了第二折長度對(duì)氣囊 壓力的影響如表5所示.結(jié)果表明，第二折的水平長度 在 3m 左右時(shí)，氣囊壓力最小，效果最好.
3.5 船臺(tái)改造的水動(dòng)力計(jì)算
選取實(shí)船2進(jìn)行船臺(tái)改造和敏度的水動(dòng)力分析， 通過船臺(tái)的傾角與潮水水位的組合計(jì)算，來發(fā)現(xiàn)其中 的規(guī)律，計(jì)算結(jié)果見表6和表7.
表6反映的是采用水動(dòng)力方法計(jì)算的第二折船臺(tái) 的傾角和水位對(duì)氣襄壓力的影響，同時(shí)還給出了二折 船臺(tái)的計(jì)算結(jié)果.表6表明第二折船臺(tái)的傾角對(duì)計(jì)算 結(jié)果的影響較大，其中的1/20坡度較為適宜，此時(shí)最 大的氣囊壓力相對(duì)較小.表7 是當(dāng)?shù)诙鄞_(tái)坡度為 1/20時(shí)，第三折坡度變化對(duì)氣囊壓力的影響，表明第 3 折船臺(tái)坡度對(duì)氣囊壓力影響較小.
比較船臺(tái)改造的靜水力計(jì)算結(jié)果(表3 和表4) 和水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果(表6和表7),可以看出兩者的 結(jié)果相當(dāng)一致.
表5第二折長度的影響
| 2 | 3 | 4.5 | 6 |
| | | | 氣囊壓力/MPa | 發(fā)生肋位 | 氣囊壓力/MPa | 發(fā)生肋位 |
| | | | | | | | |
| | | | | | | | |
| | | | | | | | |
表6船臺(tái)坡度改變對(duì)氣囊下水的影響
| 0.4 | -0.2 | -0.1 | 0.1 | 0.2 | 0.4 |
| | | | | | 最大氣 囊壓力 (MPa) | 發(fā)生 肋位 | 最大氣 囊壓力 (MPa) | 發(fā)生 肋位 | 最大氣 囊壓力 (MPa) | 發(fā)生 肋位 |
| | | | | | | | | | | | |
| | | | | | | | | | | | |
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表7船臺(tái)的第三折坡度對(duì)于下水的影響
4 結(jié)論
綜上所述，經(jīng)過多方案的計(jì)算比較，推薦的氣囊 下水船臺(tái)形狀為三折船臺(tái)，其中第一折的坡度取 1/100,第二折坡度取1/20左右，第三折建議坡度約為 1/8,第二折的水平長度在3m 左右.
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水技術(shù)及其應(yīng)用研究”實(shí)船測(cè)試分析報(bào)告[R].2008.
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[6]船舶氣囊下水技術(shù)及其應(yīng)用研究項(xiàng)目組.“船舶氣囊下 水技術(shù)及其應(yīng)用研究”工藝研究報(bào)告[R].2008.
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