例如，某公司用直徑D 等于0.6米的高強(qiáng)度氣囊進(jìn)行爆破試驗， 所得爆破壓力P 的平均值為2.475Mpa, 則可以求得直徑D 等于1.5米 的同類材質(zhì)氣囊，在安全系數(shù)n為4.5時，許用工作壓力等于0.22Mpa; 在安全系數(shù)取3時，許用工作壓力等于0.33 Mpa。根據(jù)氣囊的許用工
氣囊許用承載力F。是氣囊在某一工作狀態(tài)(工作高度)下，具 有安全系數(shù)n 時所能承受的最大負(fù)荷 (KN) 。 與之相應(yīng)的每米氣囊長
目前萬噸級以上船舶氣囊下水常用直徑為1.5米和1.8米高強(qiáng)度 氣囊。圖3-3-3的三個圖是D=1.5m,L=17m 時.在P?=0.13Mpa 時，氣
圖3-3-3-1 L=17米氣囊內(nèi)壓為Peo時，不同壓縮高度氣囊的承載力Fn/L(KN)
由圖3-3-3可計算得一只常用的L=17 米，D=1.5 的氣囊，在H/D 等于0.5時，許用載荷分別為266.9噸、679噸和413 噸。從上述結(jié) 果可知，第一種方法是最偏安全的，工作時它的實際安全系數(shù)是大于 選定之n 值的，但從大型船舶氣囊下水實際工作情況分析，氣囊最大 工作負(fù)荷往往是超過這個方法計算出的界限的；第二種計算方法，在 不同工作高度 H 時，均保持了選取的 n 值，因為徑向應(yīng)力σ等于
壓，保持σ值不變，即安全性的設(shè)定不變，氣囊的承載能力比第一種計算要大 一倍左右。嚴(yán)格講這種方法求得的數(shù)值比較符合定義的氣囊許用承載
在船舶下水氣囊滾動受壓加載的過程中氣囊內(nèi)氣體質(zhì)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(nèi)氣體的體積與囊內(nèi) 氣體表壓力P 都發(fā)生相應(yīng)的改變，達(dá)到新的平衡。當(dāng)氣囊在垂向變形
內(nèi)壓P: 內(nèi) 壓P 是氣囊實際工作壓力，其值應(yīng)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,
當(dāng)氣囊的變形速率較小，氣體體積變化較慢時，囊內(nèi)氣體可以與 外界進(jìn)行充分的熱交換，囊內(nèi)氣體的溫度與外界保持一致。因此，囊 內(nèi)氣體的變化過程可視為等溫過程， n 取等溫系數(shù)， n=1 。 當(dāng)氣囊的 變形速率很大，囊內(nèi)氣體體積變化劇烈時，囊內(nèi)氣體來不及與外界進(jìn) 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)我們測試過的幾 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(jìn)一步壓縮， 直至壓力達(dá)到頂峰，高度再降到最低，歷時約10s, 這一過程比較短 促，接近絕熱過程， n 值接近1.4,考慮下水氣囊體積是分階段變化
2) 系船繩索將絞車動滑輪組系住.系船繩索應(yīng)滿足牽引力 要求，必須從艏部系固于帶纜樁等強(qiáng)力構(gòu)件或?qū)Ｓ枚?/div>
上，并進(jìn)行強(qiáng)度校核，必要時還可捆綁部分或全部船體。
3) 按工藝設(shè)計要求排布?xì)饽?，開始充氣，實施落墩，使船 舶重量全部承壓于滾動氣囊上，氣囊必須按規(guī)定平行排
列。
4) 隨船下水的工作人員上船完畢，移去梯子、引橋、岸電
電纜等。并在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)開啟塢門。
5) 啟動絞車或操縱動滑輪組，放出鋼絲繩或鏈條，使船舶 借助氣囊的滾動向水域移動，必要時，為克服啟動時的 靜摩擦力，可借助挖土機(jī)等機(jī)械施加助推力。根據(jù)水域
及坡道條件選擇快速入水還是繼續(xù)在機(jī)械控制下入水。
25
按照事先計算的船舶從全浮開始自由滑行所需距離.如 果水域不能滿足此要求，則需要采取船舶制動措施，或 在絞車控制下緩慢入水；水域?qū)挾茸銐颍掖澳茏孕?下水時，可以脫離絞車控制，用脫鉤或砍斷纜繩的方法 讓船舶借助下行力自行下水；當(dāng)建造船舶船尾部直接在 水邊，沒有移船階段且船舶可以利用下行力自行下水時， 允許不用絞車，但進(jìn)行氣囊充氣到拆除船墩前，船必須 先與地牛拉住，牽引索盡量在水平線以下，若牽引索在
水平線以上時，其夾角不大于5°。
6) 船體全部入水后將船舶拖靠碼頭；回收所有氣囊。測量
船舶艏艉吃水，檢查各艙有無漏水。填寫完善下水記錄。
4.1.2下水前的工藝設(shè)計
為確保下水安全，本船下水前必須編制下水工藝方案，下水工藝
方案的內(nèi)容大致如下：
i、基礎(chǔ)部分
a) 下水船舶的尺度、重量、重心、下水場地及水域條件：
b) 氣囊規(guī)格、數(shù)量，氣囊的布置方案：
c) 落墩方案和拆墩程序；
d) 鋼絲繩的牽引力和布置方案。
ii、下水計算部分
a) 氣囊承載力計算，算出下水啟動前每一只氣囊的承載力以及 對重心之矩的總和；船舶腫部滑行至坡道瑞部前后30米范圍時該區(qū) 域氣囊的承載力；船舶艏部滑行至坡道瑞部前30米范圍時的該區(qū)域
氣囊的承載力。
b) 計算下水時船舶產(chǎn)生艉彎和艉上浮時的行程，計算該處氣囊
產(chǎn)生最大內(nèi)壓，校核氣囊強(qiáng)度和船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度：
c) 計算船舶下水滑行距離，核查水域?qū)挾龋绱嬖谒颡M窄問
題，應(yīng)提出制動阻尼方案，并進(jìn)行相關(guān)計算。
iii、 應(yīng)急預(yù)案
為應(yīng)對不測事態(tài)發(fā)生，企業(yè)在下水前需要根據(jù)船廠的具體環(huán)境
條件，就可能發(fā)生的意外事態(tài)做出應(yīng)對方案，例如：
a) 下水不能啟動時的應(yīng)對措施；(預(yù)備某種可提供下水推力的機(jī)
械，如挖土機(jī)、絞車等，并制定應(yīng)急操作的方法、步驟。)
b) 下水中途氣囊爆裂或嚴(yán)重泄漏的應(yīng)對辦法； (人身安全的保
障措施，暫停船舶滑動，進(jìn)行氣囊置換的工藝方案等)
c) 下水中途船舶擱淺的處置方案。(例如，備用氣囊的安排，氣
囊填放與充氣的操作程序等)
4.2 氣囊安全性分析
4.2.1 氣囊的布置方案
A、 氣囊型號的選擇
規(guī)格尺寸
囊體直徑D: 國家船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“船舶生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)條件基本要 求及其評價方法”中要求，船舶在船臺上建造時，船底與船臺地面的 距離不小于80公分。1 米以下的氣囊在這工作高度對船舶的支撐力 較小，難以實施落墩操作。對萬噸級以上船舶下水，主要選用直徑 1.5米與1.8米氣囊，少量選用2.0米和1.2米直徑氣囊。國內(nèi)成功進(jìn) 行的5萬噸級船舶(下水自重1萬-1.2虧噸)氣囊下水基本采用D=1.5m 的氣囊，這型號規(guī)格氣囊應(yīng)用量大，質(zhì)量穩(wěn)定，本項目主要也采用這
類 D=1.5m 規(guī)格的氣囊，少數(shù)的下水最后階段位于艏部工作的氣囊可
視具體情況選用1.8米氣囊。本項目分析時，以昌林 CL-7型氣囊為
參考，以 D1.5米 ，L18 米規(guī)格為主。
囊體長度 L: 目前國內(nèi)制造商的生產(chǎn)設(shè)施可以生產(chǎn)的氣囊長度不 大于20米， 一般在18米以下。對大型船舶下水，為降低氣囊工作壓 力，減小船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力，確保下水安全，需要充分利用船底平面布置 足夠數(shù)量的氣囊，船寬大于氣囊長度較多時，寬度方向可以將氣囊對 接。工、本船寬度大(36米),適宜運(yùn)用對接布置方案，長度擬選用
以18m 與12m 組合為主的氣囊。
囊體寬度 (L)
在不同工作高度H 時，氣囊的寬度是決定下水船只氣囊排布密度
的重要因素，不同直徑氣囊受壓縮時寬度變化規(guī)律如表圖4-1所示。
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
壓縮率o
|
|
|
|
|
|
|
|
0
|
10
|
20
|
30
|
40
|
50
|
|
70
|
80
|
90
|
D2.0
|
2
|
2.11
|
2.23
|
2.34
|
2.46
|
2.57
|
2.68
|
2.80
|
2.91
|
3.03
|
-D1.8
|
1.8
|
1.90
|
2.01
|
2.11
|
2.21
|
2.31
|
2.42
|
2.52
|
2.62
|
2.72
|
A-D1.5
|
1.5
|
1.59
|
1.67
|
1.76
|
1.84
|
1.93
|
2.01
|
2.10
|
2.18
|
2.27
|
-D1.2
|
1.2
|
1.27
|
1.34
|
1.41
|
1.47
|
1.54
|
1.61
|
1.68
|
1.75
|
1.82
|
圖4 - 1 壓縮率與氣囊寬度關(guān)系圖
B、 氣囊布置的形式
氣囊布置方式：萬噸級以上船舶下水滾動氣囊布置主要有3種形
式：單列排布，交錯排布和對接排布。采用何種排布形式取決于船舶
寬度和氣囊長度，需要時也可以混合排布。
i. 單列排布： 當(dāng)船寬小于或等于氣囊有效長度時采用之，在船寬大于
氣囊長度船舶的艏、艉部位往往也采用單列排布。
圖4 - 2 氣囊單列排布示意圖
ii. 交錯排布：當(dāng)船寬大于氣囊的有效長度，但小于二個氣囊長度時，
可以采用交錯排布形式。
圖4-3 氣囊交錯排布示意圖
iii. 對接排布： 當(dāng)船寬大于二個氣囊的有效長度時，可以采用對接排 布形式，對接氣囊間應(yīng)留有適當(dāng)?shù)拈g隙。根據(jù)船底寬度和氣囊長度可
選擇 (A)(B) 排列形式，本項目以 (B) 式為宜。
(B)
圖4 - 4 氣囊對接排布示意圖
C 滾動氣囊數(shù)量的確定與間距計算
船舶氣囊下水的氣囊數(shù)量和排列方式取決以下因素：能產(chǎn)生足夠 的支撐力抬起船舶完成落墩和運(yùn)送船舶下水；氣囊安全，不會因超負(fù) 荷而損壞、爆破；船體結(jié)構(gòu)不發(fā)生超載損傷。在1998年頒布的行業(yè)
標(biāo)準(zhǔn)“船舶用氣囊上排、下水工藝要求”CB/T3837-1998 中提出：
i 氣囊下水船舶起墩時，氣囊的數(shù)量按以下公式計算：
(4-2-1)
式中： N--- 滾動氣囊的數(shù)量，只； K.--- 系 數(shù) ，K?=1.2～1.3;
Q---下水船舶自重， t; 8---單位轉(zhuǎn)換系數(shù)， 9.8;
C,-- 方形系數(shù)：
R---每米氣囊允許的承載力， KN/m;
L?--- 在船舶腫剖面處氣囊囊體與船舶接觸的長度， m。
式(4-2-1)中Q 與C, 可從船舶設(shè)計圖中獲??； Lμ可從船舶橫 剖面圖中獲取， 一般取水線圖船舶最寬部位船底線的寬度；關(guān)鍵是如 何選取R, “每米氣囊允許的承載力”有二個主要影響因素， 一是氣 囊工作壓力的確定。如前所述，氣囊許用承載力是指氣囊工作壓力為 許用工作壓力 Pe 時所能產(chǎn)生的支撐力，但實際下水工程，氣囊在船 臺起始位置時，工作壓力都不會達(dá)到許用極限值 Pe 的值，根據(jù)對2 萬噸級船舶下水的多次觀察(所采用的氣囊規(guī)格與本項目相同),氣
囊在船臺起始位置的充氣壓力平均值在0.09MPa 左右；二是下水前氣
囊的工作高度，它對氣囊承載力的影響很大，受施工條件(墩高要求 大于0.8 米)等因素的影響，,氣囊在船臺起始位置的高度一般為 0.85-1 米。由此求得的R更符合工藝實際情況。計算所得氣囊數(shù)量 N
可認(rèn)為長度為 La的氣囊。
本項目設(shè)船舶在下水氣囊下水前平均高度為0.80米，氣囊壓力
為0.10MPa 時的參數(shù)如下：
下水船舶自重Q: 13500噸
方形系數(shù) Co: 0.822
系數(shù) K?: 1.25
船舶腫剖面處平底寬度 La: 32.5米
每米氣囊的承載力R: 110KN/m;
計算得到 N 值為58?？紤]以對接排布為主，將 N 值分解成為 18+12的氣囊組45組和18米(艏、艉部分可用12米)氣囊25個，
排為70行。
ii. 滾動氣囊之間的中心距離：要考慮船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時要
防止?jié)L動氣囊間壓疊在一起。
CB/T3837-1998 要求氣囊間距滿足以下二式限定的范圍：
L/(N-1)≤6
L/(N-1)≥nD/2+0.5
(4-2-2)
(4-2-3)
式中： L-- 下水船舶長度(可布?xì)饽业膶嶋H長度), m;
N---滾動氣囊數(shù)量，只(排);
D---氣囊囊體公稱直徑， m。
本項目船舶長度(可布?xì)饽业膶嶋H長度)L 為201米，以式(4-2-2)
和(4-2-3)進(jìn)行計算時， N 取分解后的行數(shù)，
由式(4-2-2)計算得氣囊間距 為2.91米，具體排布時，氣囊 疏密可根據(jù)船舶重布適當(dāng)調(diào)整。簡況如圖4-5。圖4-6 是凱航提出的 二個交錯方案。共用L=19 米 、D=1.8 米 和 D=1.5 米氣囊72-76個，由 式(4-2-3)的計算值為2.83-2.68米。式(4-2-3)是偏于保守的，在 工程實踐中，例如，2 萬噸級船舶下水時，記錄到的實際排布間距 (D1.5m 氣囊)在艉部有縮小至2. 16 米的，關(guān)鍵是能控制相鄰的二
氣囊滾動時不相碰，有0.5 米的間隔以保證之。
70000噸散貨船下水氣囊布置圖
圖4-5 對接非布為主的氣囊布置圖
圖4-6 二個氣囊交錯排布方案
4.2.2 氣囊在下水過程中受力狀況變化分析
了解與掌握氣囊在下水過程中的形狀與受力狀況的變化規(guī)律，對 發(fā)揮氣囊的潛力，科學(xué)、合理地使用氣囊，及調(diào)控船體在下水過程中 的受力都是必須的。為之，曾從現(xiàn)場實驗測試和理論分析二個方面著 手了解氣囊在下水過程中壓縮率(工作高度)、內(nèi)壓與氣囊強(qiáng)度、支
撐力的關(guān)系。
A 、 實船下水過程氣囊內(nèi)壓變化的動態(tài)測試
為了測量氣囊動態(tài)壓力，利用專門設(shè)計制作的氣囊壓力測試儀， 以每秒20 次對氣囊壓力進(jìn)行實時檢測，記錄數(shù)據(jù)既可以通過無線方 式傳輸進(jìn)入計算機(jī)，又可以存儲在測試儀內(nèi)部芯片上，測試完成后再
傳輸入計算機(jī)進(jìn)行處理。
(a) 氣囊壓力測試儀原理框圖
無線傳輸 模塊
(b) 氣囊壓力測試遙控器原理框圖
圖4-7壓力測試儀原理框圖
典型的測試結(jié)果如圖4-8。由圖可知，氣囊內(nèi)壓P? 在下水過程，
實船二下水氣震動態(tài)壓力綜合曲線
相對時間(秒)
圖4-8 氣囊下水過程中內(nèi)壓隨時間的變化曲線
大致都由三個階段組成，下水初期，氣囊在船臺平面上滾動，內(nèi)壓基
本保持充氣結(jié)束時大小；氣囊運(yùn)動接近船臺斜率變化線或岸線邊緣 時，氣囊內(nèi)壓升高，出現(xiàn)峰值(見圖4-9,船臺氣囊下水最大載荷分 布曲線位置的值可比第一階段升高一倍以上，達(dá)0.2MPa 以上；氣囊 滾入船臺大斜度區(qū)，內(nèi)壓陡降，落入水中后，內(nèi)壓降至空載壓力 Po, 并基本穩(wěn)定。為確保氣囊和船結(jié)構(gòu)安全，重要任務(wù)就是如何降低峰
值。
圖 4 - 9 實5號船下水過程某氣囊壓力變化與船舶船臺位置關(guān)系曲線
B 、 幾個基本概念與公式：
i、氣囊與船臺地面及船底之間不發(fā)生滑移運(yùn)動，僅有滾動；
氣囊縱軸沿船臺縱向的前進(jìn)速度是船舶同方向運(yùn)動速度的
1/2。
ii、氣囊承載力 (4-2-4)
式中 P—— 內(nèi)壓 (MPa)
S——氣囊承托船體之正投影面積，
S=B×L(m2) (4-2-5)
其中： B 與 L分別為氣囊與船底接觸面的正投影寬度與長度
工作寬度 B 與直徑 D 之關(guān)系可寫成：
B=π (D-H)/2 (4-2-6)
式中 H—— 壓縮后高度
iii、氣囊壁內(nèi)應(yīng)力
圖4-7 氣囊受力分析圖
0L
0.866D
氣囊直徑一D 氣囊長度-L
氣囊兩端錐體長度為0.866D
徑向應(yīng)力σr
軸向應(yīng)力 ∑ |
(4-2-7)
(4-2-8)
其中 P1 與空載時壓力 Po 和壓縮后高度H 相關(guān)，如 n=1,則
(4 2 9)
式中 Pa 是大氣壓力。
C、 幾個值得注意的規(guī)律
i、空載壓力 Po對支撐力影響很大，尤其在壓縮率大時(特
別是70%以上)氣囊剛度上升會很快。如圖4-8所示。
KN/m
壓縮比 (D-H)/D×100%
圖4-8 不同初壓力氣囊在不同壓縮率時的承載力
要防止氣囊內(nèi)壓的迅速增高對氣囊可能造成的危害，從表4-2可 知一個在下水前內(nèi)壓為0.138MPa,工作高度為0.9米的氣囊，如果壓
縮到0.6米高，內(nèi)壓會升高達(dá)0.239MPa, 超過氣囊的允許壓力 Pe。
表4-2 不同空載壓力時氣囊壓縮率對氣囊內(nèi)壓的影響
壓縮率
(D-H)/Dx100%
|
H(米)
(D=1.5米)
|
pi MPa
(p0=0.11)
|
Pi
(p0=0.09)
|
pi
(p0=0.05)
|
0.00
|
1.5
|
0.110
|
0.090
|
0.050
|
0.07
|
1.4
|
0.111
|
0.091
|
0.051
|
0.13
|
1.3
|
0.115
|
0.094
|
0.054
|
0.20
|
1.2
|
0.121
|
0.100
|
0.058
|
0.27
|
1.1
|
0.131
|
0.109
|
0.065
|
0.33
|
1
|
0.145
|
0.121
|
0.075
|
0.40
|
0.9
|
0.163
|
0.138
|
0.088
|
0.47
|
0.8
|
0.189
|
0.161
|
0.106
|
0.53
|
0.7
|
0.224
|
0.194
|
0.132
|
0.60
|
0.6
|
0.275
|
0.239
|
0.168
|
0.67
|
0.5
|
0.351
|
0.308
|
0.222
|
0.73
|
0.4
|
0.473
|
0.418
|
0.309
|
0.80
|
0.3
|
0.693
|
0.617
|
0.466
|
0.87
|
0.2
|
1.181
|
1.059
|
0.815
|
0.93
|
0.1
|
2.913
|
2.626
|
2.052
|
ii、氣囊支撐力 F[相同時，工作高度低(壓縮率大)的氣囊更安
全。
氣囊被破壞，主要是其囊壁內(nèi)應(yīng)力超過了極限值。以D=1.5米氣囊為 例，從圖4-8可知，在氣囊承載力為300KN/m 時，如一個氣囊的工 作高度H 等于0.42米，其工作壓力β等于0.108MPa; 另一個氣囊的 工作高度H 等于0.61米， R 等于0.246MPa。 在這二種狀態(tài)下氣囊壁 內(nèi)的應(yīng)力(圖4-7)分別由下式(4-2-7)與(4-2-8)求?。旱玫綒饽?br />
承載力為300kN/m 時囊壁內(nèi)應(yīng)力如表4-3表4-3
氣囊空載壓力
|
徑向應(yīng)力G,
|
軸向應(yīng)力G,
|
主應(yīng)力G。
|
P?=0.03Mpa
|
00225/δ
|
0.00813/δ
|
0.0239/δ
|
P?=0.1Mpa
|
0.075/δ
|
0.0223/δ
|
0.0782/δ
|
比值(σ??/σoos)
|
3.33
|
2.74
|
3.27
|
從以上計算結(jié)果可知：同樣發(fā)揮300KN/m 支承力作用，工作高度H 等 于0.42米的氣囊囊壁應(yīng)力僅為工作高度H 等于0.61米氣囊的三分之 一左右。工作高度H 等于0.61 米氣囊在該狀況下的工作壓力β值為 0.246Mpa, 已大于目前市場上供應(yīng)的高強(qiáng)度氣囊的許用工作壓力，而 工作高度H 等于0.42米的氣囊的P 為 0.108Mpa, 屬于正常許用工作
壓力范圍(按 Pe值不變而言)。
4.2.3 本項目下水的氣囊安全性預(yù)測(評估)
按4.2.1C節(jié)中選用氣囊時的基本參數(shù)是：氣囊下水前平均高度為 0.85米，氣囊壓力為0.0.13MPa, 每米氣囊的承載力R 為133KN/m; 經(jīng)計算得 Po=0.087MPa, 由圖3-2-2 可查知該工況實際 Pe 約為 0.23MPa, 許用承載力約為300MPa。 靜態(tài)安全系數(shù)可達(dá)8-9。氣囊在 運(yùn)動狀態(tài)有一個壓力峰值，持續(xù)時間約2秒，由測試的各種數(shù)據(jù)確定， 當(dāng)內(nèi)壓為200KPa 以上時氣囊的高度為0.6 米左右，由此可知，該時 氣囊的許用壓力Pe 在325KPa 左右，有足夠安全余度。測試的船舶， 平均每米長氣囊的靜態(tài)承載重量約為6.5-8.6 噸，本方案的值為7.6
噸，氣囊安全是基本有保證的。
4.3船體安全性分析
4.3.1船體在下水過程中受力的變化規(guī)律
浙江工業(yè)大學(xué)等單位曾進(jìn)行過5條2萬噸級船舶的氣囊下水測試 和計算，獲得了下水過程中氣囊內(nèi)壓變化的規(guī)律，圖4-9 和圖4-10
是部分氣囊壓力變化實測和計算結(jié)果。
古
4.3.2 在下水過程中船體應(yīng)力的變化規(guī)律
浙江工業(yè)大學(xué)等單位曾進(jìn)行過5條2萬噸級船舶的氣囊下水的應(yīng) 力測試和計算，獲得了下水過程中船體應(yīng)力變化的規(guī)律。發(fā)現(xiàn)在船體 重心經(jīng)過船臺末端時，船臺末端處的氣囊壓力達(dá)到最大，船體在此處 的最大總縱彎矩也是在下水整個過程中最大總縱彎矩，但此時的甲板 縱向應(yīng)力和船底板縱向應(yīng)力比較小，都在10 0MPa 以內(nèi)，見表4-4。 船舶重心附近的船體板格的應(yīng)力最大，此處為最危險板格，圖4-11
和圖4-12是最危險的船底板格的應(yīng)力變化實測和計算結(jié)果。
表4-4 計算結(jié)果匯總
船名
|
最低船
底距離
(m)
|
傾角
(rad)
| 船底板 格最大 應(yīng)力 (MPa)
|
船底板
板縱向
應(yīng)力
(MPa)
| 甲板縱 向應(yīng)力 (MPa)
|
高應(yīng)力 區(qū)域
|
實船1
|
0.37
|
0.037
|
192
|
46
|
95
|
79-109#
|
實船2
|
0.4
|
0.061
|
215
|
37
|
54
|
75-100#
|
實船3
|
0.39
|
0.031
|
201
|
50
|
60
|
85-105#
|
實船4
|
0.41
|
0.034
|
228
|
37
|
50
|
85-105#
|
實船5
|
0.26
|
0.023
|
225
|
61
|
97
|
79-109#
|
生
圖4-11 最危險的船底板格應(yīng)變曲線
圖4-12 最危險船底板應(yīng)力變化結(jié)果圖
從圖中可以看出：由于氣囊是間隔滾動的，所以肋位所受到的力 有間隔性震蕩特征。且由于開始時船舶的下水速度較小，目標(biāo)肋位與 氣囊的接觸時間較長，所以在初期圖像上的“柱狀”寬度較長，較為 平整，且分布較為稀疏。到下水的中后期，船舶速度加大，目標(biāo)肋位
與氣囊的接觸時間較短，“柱狀”分布較為密集且出現(xiàn)了一定的坡度，
在氣囊壓力達(dá)到最大時，船舶重心附近的船底板格的應(yīng)力也達(dá)到最
大。
浙江工業(yè)大學(xué)等單位還曾采用有限元方法，建立了散貨船重心附 近的貨艙區(qū)的艙段模型，見圖4-13,進(jìn)行了最危險時刻的船體應(yīng)力分 析，所得結(jié)果見表4-2。再次表明氣囊下水過程中，應(yīng)力最大的部位
是船舶重心附近的船底板。
圖4-13 艙段有限元模型示意圖
表4-5應(yīng)力匯總 單位MPa
計算部位
|
工況
|
相當(dāng)應(yīng)力
|
外底板
|
IC max
|
230
|
內(nèi)底板
|
LC max
|
122
|
甲板
|
IC max
|
201
|
船底縱桁
|
IC max
|
146
|
舷側(cè)外板
|
IC max
|
180
|
橫框架
|
LC_max
|
106
|
橫艙壁
|
IC max
|
163
|
頂邊艙斜板
|
maX
|
166
|
底邊艙斜板
|
IC max
|
103
|
4.3.3 72000 DWT 散貨船氣囊下水船體局部強(qiáng)度估算
由于72000 DWT散貨船尚未完成技術(shù)設(shè)計，細(xì)致的氣囊下水計算 尚不能進(jìn)行。盡管該船的自重較大，但是，因該船型寬較寬，加上采 用半塢式船臺，下水時水位較高，因此可以參照現(xiàn)有的2萬噸級船臺
氣囊下水的研究成果，進(jìn)行船體安全性預(yù)測。
可以預(yù)計正常情況下，72000 DWT 散貨船氣囊下水過程中，船體 總縱強(qiáng)度不會出現(xiàn)問題，船體應(yīng)力最大的部位應(yīng)該在船舶重心附近的
船底板。
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，且由于受壓后氣囊橫向尺寸與船底板格尺寸相當(dāng)，計算時簡化為 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(yīng)力、支座縱向應(yīng)力、中點
橫向應(yīng)力、中點縱向應(yīng)力之中，支座橫向應(yīng)力最大。支座橫向應(yīng)力近
似公式如下：
(4-3-1)
其中，P 為氣囊作用在相應(yīng)肋位的單位長度的荷載(kN/m),1 為
肋板間距 (mm);s 為縱骨間距 (mm);t 為船底板厚 (mm)。
按照72000DWT散貨船的初步下水方案，當(dāng)船舶重心經(jīng)過船臺末 端時，對應(yīng)的氣囊應(yīng)該是直徑1.8m的氣囊。根據(jù)以往的經(jīng)驗，此處氣 囊的壓縮量應(yīng)該不超過80%,氣囊的高度應(yīng)該大于0.35m。 按照“昌 林牌”CL-7型高承載力船用橡膠氣囊單位長度的承載力表(表3-3-2), 氣囊作用在此處單位長度的承載力應(yīng)該不大于300kN/m。 考慮到氣囊 剛度的非線性，氣囊作用在此處單位長度的承載力應(yīng)該不大于600
kN/m。
浙江工業(yè)大學(xué)等單位通過大量的理論和實驗研究，確定的氣囊下
水安全標(biāo)準(zhǔn)為：按上述用公式計算的船底板近似應(yīng)力，不得超過船底
板屈服應(yīng)力。該船船底板的材料為AH32, 屈服應(yīng)力為320MPa 。該船
船底板氣囊下水的許用應(yīng)力為320MPa。
根據(jù)該船初步設(shè)計方案，該船肋板間距!為2580mm; 縱骨間距s 為820mm; 船底板厚t為16mm, 材料為AH32。 按照公式(4-3-1),獲
得船底板的最大應(yīng)力不會大于305MPa。
對照該船船底板氣囊下水的許用應(yīng)力為320MPa, 因此，可以預(yù)
測72000DWT 散貨船氣囊下水船體結(jié)構(gòu)安全是可以保證的。
4.4下水過程的預(yù)測與環(huán)境安全分析
由浙工大、省船舶行業(yè)協(xié)會、現(xiàn)代船舶設(shè)計公司合作承擔(dān)的科技 廳二萬噸級氣囊下水研究課題組對船舶在氣囊下水過程中的運(yùn)動規(guī) 律、勢態(tài)變化進(jìn)行過較全面的記錄、測量和研究分析，為確保氣囊下 水船舶“下得去”,“下得穩(wěn)”,“避碰撞”奠定了基礎(chǔ)。以下圖4-14、 4-15、4-16是其中一艘2.25萬噸船舶的下滑速度、位移和船舶傾角變 化曲線。這次下水平穩(wěn)、順利，有關(guān)數(shù)據(jù)可供參考。入水后船舶的最
大速度約5.2米/秒。最大縱傾角2.5度。
米
時間
圖4-14 位移曲線
時間
圖4-15 下水速度曲線
圖4-16 傾角變化曲線
4.4.1下水環(huán)境
船臺前區(qū)如圖4-17,西側(cè)船臺延長線與碼頭距離約40米。船臺前 沿水深是一個斜坡，在船臺入水端前沿，海底85高程0至-1米，200
米處，為-4米左右。船臺下水端標(biāo)高3.2米。上述下水環(huán)境除船臺設(shè)
計上不很理想外，總體條件較好。從船臺標(biāo)高及潮位資料分析，該船 臺基本屬于常規(guī)氣囊下水船臺，不能講是半塢(潛)式船臺。據(jù)了解 該海域大潮潮位也僅3.6米，這對大型船舶氣囊下水是不利的，主要 涉及氣囊內(nèi)壓的峰值和船體結(jié)構(gòu)的安全。為之，在船舶設(shè)計完成后， 需要進(jìn)行必要的計算，如結(jié)果有問題，則要求改造船臺，以改善下水
安全。改進(jìn)的余地是大的，有關(guān)方案另議。
圖4-17 船臺前沿環(huán)境
4.4.2船舶運(yùn)動速度的估計
圖4-18 下水船舶下滑力示意圖
A、簡便估測 船舶自動滾滑下水，必須使船舶自重沿坡道方向的分力大
于坡道摩擦阻力，如圖4-18所示，即 Fa=Qsin a >F?=fN (4-4-1)
式 中 ：Q: 船舶下水重量，噸； f: 氣囊與坡道間的摩擦系數(shù)；
F?=Qsina, 為船舶沿坡道方向的分力；
N=Qcos a, 為船舶垂直坡道方向的分力；
α —坡道坡度。本項目船臺為100:1.1
在a 很小時，sinα~tga≈ 斜率 COs a ≈ 1
摩擦阻力 F:Fr=fN=fQcosa; 下水推動力 F=Fa-Ff=Qsin a-fQcos a
因 F=ma, V=at
則 V=Q(tgα-f)t/m (4-4-2)
重力Q 與質(zhì)量比是常數(shù)，因此在不同船臺下水，在船臺表面材質(zhì) 相同時 (f 相同),船舶在各時間的速度與滑道坡度斜率成正比，圖 4 - 15船舶下水船臺的斜率平均約為100:1,本項目為100:1 . 1,可 以估計，本項目船舶下水的最高速度可能在5.5至5.7米/秒。因為氣 囊有壓縮現(xiàn)象，船舶下水過程船舶傾角會變化， 一般會使加速度增長， 入水后水的阻力也會有影響，使速度下降。被測試的船舶下水時采用 了一些常規(guī)的阻尼措施，本項目下水時也可應(yīng)用，下水船舶的漂浮速 度，是可以控制在能接受的范圍的。船廠岸線前沿開闊，下水船舶滑 行距離控制不是關(guān)鍵，只要控制好船舶不向西漂，撞擊碼頭，會比較
安全。
B、詳細(xì)測算 在船舶設(shè)計完成，船舶下水狀態(tài)確定后，也可以 進(jìn)行更精確的計算，求出下水的速度、位移、傾角變化等各項數(shù)據(jù)。
浙江工業(yè)大學(xué)曾編寫過有關(guān)的計算程序。
圖4-19 船舶氣囊下水中的受力圖
圖4-19 是船體在下水過程中的受力圖，其中包括：船體的重力Fa, 水對船體的浮力Fa, 下水氣囊對船體的支持力F 和摩擦力Fx, 水對
船體的粘性阻力Fm和因附加質(zhì)量變化而產(chǎn)生的軸向質(zhì)量力F?。
考慮船舶下水沿船臺方向力的平衡，以船的基線方向為軸向，將 重力與浮力的合力投影到軸向以后，軸向上加速度乘以船體的質(zhì)量等
于軸向上各項力的合力。則可以得出方程：
m·L”=sin(θ+α)·(m·g-F?)-Fx·μ-Fp-F?
(4-4-3)
其中m為下水船舶的質(zhì)量，下水船舶的質(zhì)量分布是已知的。L表示 船舶下水的滑程，對其取二階導(dǎo)數(shù)得L"即為船舶下水時軸向的加速 度，“表示氣囊的滾動摩擦系數(shù)，計算時每個氣囊的動摩擦因數(shù)作為 常數(shù)給定。船舶基線相對于船臺的傾角為α,船臺相對與水平面的傾 角為θ,g 為重力加速度。Fx 指在船臺上的氣囊對船舶提供的支持力， 其為船臺上所有的對船舶提供支持力的氣囊所提供的力的總和。由于 氣囊剛度是強(qiáng)非線性的，其計算較為復(fù)雜，可根據(jù)實測的氣囊壓力變 化曲線回歸得到的近似公式求取。Fm 為船體受到的水摩擦力，即船
體的入水部分受到的粘性阻力，通過船體的表面浸濕面積，下水的即
時速度，及其粘性阻力系數(shù)而得到。動量變化力 ,當(dāng)船的
附加水質(zhì)量較大的情形下應(yīng)該考慮附加水質(zhì)量力，可根據(jù)Boef,WJ.C
的公式進(jìn)行近似計算。
4.4.3下水船舶吃水深度變化的估計與要求的水文條件
下水水位：船廠所在地區(qū)平均潮差為4.2米，下水要求潮位高3.2 米以上， 一般設(shè)為3.4米，即船臺入水端經(jīng)斜坡結(jié)束處水深可達(dá)4米 左右，距塢門200米處水深7米以上。船臺入水端的標(biāo)高為3.2米，
廠區(qū)地坪標(biāo)高5.3米。
船舶下水后，預(yù)測平浮狀態(tài)時艏部吃水為0.9米，艉部4.2 米。 下水中途，船舶可能發(fā)生尾傾(艉落),圖4-15船發(fā)生最大達(dá)2.5度 的艉傾，如類似情況發(fā)生在本項目船上，船艉結(jié)構(gòu)不會撞擊海底，因 為這時船艉約位于離岸100米處，該地域水深約6米，船艉結(jié)構(gòu)最多 下沉到海平面下5米左右。因船臺附近有下水氣囊保護(hù)，船舶即使發(fā)
生艏落也不會造成問題，更何況前沿水深足夠。
4.5 提高氣囊下水安全性的建議
提高本項目大型船舶氣囊下水安全性的關(guān)鍵，是處理好船舶重心 前后一段區(qū)域滾動至船臺末端位置時船舶的姿態(tài)和位置高低，以降低
在船臺端部區(qū)域氣囊的內(nèi)壓和對船底壓力。
4.5.1 降低氣囊的工作高度和初壓力 P?
降低氣囊的工作高度與初壓力 Po (或在船臺的靜態(tài)壓力 Pis) 是 相互關(guān)聯(lián)的。降低氣囊工作高度，尤其是在船臺端部位置時的高度有
以下利益：
i、氣囊工作高度下降相當(dāng)潮水上漲，下水過程中浮力增加，氣 囊內(nèi)壓及對船底壓力都能顯著降低。對項目船舶，氣囊工作高度平均 下降20厘米，在船腫到達(dá)船臺末端時，浮力估計增加400-600噸。 曾經(jīng)對一條2.15萬噸散貨船進(jìn)行計算，下水船臺的坡度為1/100,在 接近下水端下折至坡度1/20,水位高度從-0.2m 升至0m 時計算所得
氣囊內(nèi)壓從0.2437MPa 降至0.2144Mpa。
ii. 產(chǎn)生同樣支承力，工作高度低的氣囊更安全。這一點在 4.2.2
節(jié)中已進(jìn)行過分析，不再贅言。
降低氣囊工作高度是有條件做到的措施。目前氣囊工程隊在下水 時，氣囊的初始高度 (H??) 一般有1米左右，表4-6是幾條萬噸級船
舶下水記錄的數(shù)據(jù)。必要時，為安全計將H? s減小到0.8米以下是可
。表4-6 浙江4艘2萬噸級船舶氣囊下水基本參數(shù)
船舶名稱
|
船舶載重
量噸
(萬DWT)
|
船舶下
水重量
(t)
|
下水氣
囊數(shù)
|
氣囊平
均承載
(t)
| 下水前氣囊高度H? s(cm) |
平均工作
高度為直
徑的%
|
最大
|
最小
|
平均
|
實測1號
|
2.15
|
6040
|
53
|
114
|
117
|
78
|
91.6
|
61
|
實測2號
|
2.15
|
6010
|
53
|
114
|
120
|
90
|
101.7
|
67.8
|
實測3號
|
1.66
|
4860
|
40
|
122
|
112
|
109
|
110
|
73.3
|
實測4號
|
2.25
|
6200
|
58
|
107
|
110
|
86
|
97.5
|
65
|
能的，當(dāng)然這會增加施工工作量。
4.5.2 科學(xué)排布?xì)饽?。既要考慮靜態(tài)時船舶重量的分布，在機(jī)艙等 重負(fù)荷區(qū)域給以加強(qiáng)，更要考慮下水運(yùn)動過程中動態(tài)負(fù)荷增大的區(qū)域 氣囊的布局。盡可能做到：在船舶重心前15(左右)助位移動到船
臺末端時讓安排的高質(zhì)量氣囊或大直徑氣囊進(jìn)入該區(qū)。這些氣囊的
Pis 要低，讓氣囊的壓縮率接近80%,增大船舶的入水傾角，增加浮
力，并減小對船底壓力。
4.5.3增加氣囊數(shù)量。 縮小氣囊間距，在相相似條件下，氣囊密度
對船底應(yīng)力有較顯著影響，表4-7是一個計算實例。
表4-7 氣囊布置對船底板應(yīng)力的影響
氣囊間距(m
氣囊
調(diào)整系數(shù)
|
2
|
2.5
|
3
|
3.5
|
最大船
底板應(yīng) 力(MPa)
| 最大船 底板應(yīng) 力(MPa)
|
最大船
底板應(yīng) 力(MPa)
| 最大船 底板應(yīng) 力(MPa)
|
1
|
252
|
262
|
314
|
314
|
對 D=1.5 米與1.8米氣囊，氣囊間距分別縮小到2.5米和3米左
右是可行的， 一般不會發(fā)生前后氣囊疊壓現(xiàn)象。
4.5.4 加強(qiáng)下水船舶船體結(jié)構(gòu)安全性的幾點建議
根據(jù)2萬噸級船舶氣囊下水的研究成果，加強(qiáng)下水船舶船體結(jié)構(gòu)
安全性，可通過下述的方法實現(xiàn)：
(1)減少氣囊下水過程中的最大壓力，氣囊的壓力小，對船體
的支撐力就小，板格的局部應(yīng)力就小。
(2)由于船底板格應(yīng)力最大的區(qū)域僅限在船體重心附近。因此， 可以考慮，在此附近的船底縱骨之間加焊縱向扶強(qiáng)材，以減小船底縱
骨間距，或者在此適當(dāng)增加板厚，降低板格的局部應(yīng)力。
(3)可以考慮，在船體重心附近的船底板(厚度不變)采用 AH36
型號高強(qiáng)度鋼，提高船底板的許用應(yīng)力。
五、綜合意見
應(yīng)用氣囊下水7萬噸級船舶是氣囊下水工藝的重要創(chuàng)新，在氣囊
下水工藝發(fā)展歷程中具有里程碑意義，也是氣囊下水工藝發(fā)展的必然 要求和方向。氣囊下水用于5萬噸級船舶已有多例成功經(jīng)驗，并已下 水過自重1.29 萬噸自航式半潛船，其下水工藝復(fù)雜、困難程度已不 遜于7萬噸級船舶，因此將氣囊下水工藝用于7萬噸級船舶是水到渠 成的事。但比較傳統(tǒng)下水方式，影響氣囊下水的因素更多，更復(fù)雜， 對72000DWT 這樣大型船舶氣囊下水需要更要科學(xué)、謹(jǐn)慎從事。我們
認(rèn)為：
1、 我國船舶下水氣囊的制造技術(shù)已十分成熟，在開發(fā)高強(qiáng)度 下水氣囊方面取得豐碩成果，新型氣囊完全能滿足包括本項目7.2萬 噸船舶在內(nèi)的大型船舶下水的需要。按規(guī)范的工藝實施下水，下水氣
囊的安全是有保障的。
2、 大型船舶氣囊下水，船舶結(jié)構(gòu)的安全是關(guān)注的重點。從研 究分析過的氣囊下水實船數(shù)據(jù)可知：最具威脅的是船底所受局部應(yīng) 力。 該應(yīng)力與作用于船底的氣囊單位長度承載力相關(guān)。本項目船舶 的承載船底寬而大，可以排布比較多的氣囊，有可能將氣囊的最大單 位長度承載力控制在相當(dāng)甚至低于2萬噸級船舶氣囊下水的水平(在 船舶設(shè)計完成后，應(yīng)該進(jìn)行相關(guān)的工藝設(shè)計、計算)。因而，船體結(jié)
構(gòu)的安全是能實現(xiàn)的。
3、 本項目的下水環(huán)境較好(可能船臺需要適當(dāng)改造),實施氣
囊下水沒有特殊的困難。
4、 雖然如上所述，本項目船舶采用氣囊下水是可能安全、成
功地進(jìn)行的，但也要注意，在氣囊下水研究中也發(fā)現(xiàn)，在2萬噸級氣
囊下水船舶測試記錄中，有的船舶其重心附近肋位船底板與結(jié)構(gòu)的應(yīng) 力曾達(dá)到或超過了所用鋼材的靜態(tài)屈服極限，盡管大多數(shù)點的應(yīng)力 (應(yīng)變)在船舶進(jìn)入正常浮態(tài)后基本回歸零點，這仍是一種預(yù)警，說
明氣囊下水船舶腫部船底結(jié)構(gòu)類似滑道下水船舶艏部結(jié)構(gòu)，是下水過
程應(yīng)力高峰區(qū)，處理不當(dāng)，或下水環(huán)境變化，有造成船體部分結(jié)構(gòu)受 損的可能，因此，大型船舶氣囊下水的腫部船底結(jié)構(gòu)應(yīng)該加強(qiáng)，以防
萬一。加強(qiáng)的方法建議與結(jié)構(gòu)簡圖，如附圖.
綜上所述，分析認(rèn)為：在采取了必要的安全預(yù)防措施后，在科學(xué) 制訂下水工藝的基礎(chǔ)上，該72000DWT 散貨船在凱航船業(yè)實施氣囊下
水是可能的。
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。 因此，對于與實驗氣囊的直徑不