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(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

大型造船企業(yè)為了提高船塢的利用效率，采用串聯(lián)造船法，即在船塢首端建造第一艘船的同時(shí)，在船塢的尾端建造第二艘船的尾部，待第一艘船下水后，將第二艘船尾部移至船塢的首端，繼續(xù)吊裝其他分段建造整艘船體。與此同時(shí)，建造第三艘船的尾部，依此類推。上述船塢串聯(lián)造船法要求船塢長(zhǎng)度大于1.5倍船長(zhǎng)，即船長(zhǎng)方向要保證能夠同時(shí)串聯(lián)放置一艘半在建船舶。上海外高橋造船有限公司的2號(hào)船塢長(zhǎng)360 m，寬76 m。建造載重量17.5萬(wàn)t散貨船的總長(zhǎng)約為280 m，型寬約45 m，塢長(zhǎng)大于船長(zhǎng)，但不足1.5倍，塢壁與船艏之間實(shí)際工作間隙約為60 m，無(wú)法采用縱向串聯(lián)造船法。而將串聯(lián)建造的第二艘半船在垂直于第一艘的方向裝配建造，便形成了橫向半串聯(lián)造船法。橫向半串聯(lián)造船法對(duì)于船舶裝配具有與縱向串聯(lián)造船法相同的益處，同串聯(lián)造船法一樣也有一個(gè)半船平移的過(guò)程，不同之處在于半串聯(lián)造船法還多了一個(gè)半船旋轉(zhuǎn)過(guò)程，見(jiàn)圖1。

圖1 半串聯(lián)造船船塢布置示意圖

為確保半串聯(lián)造船法中移位的成功實(shí)施，建立半船受力模型，應(yīng)用仿真計(jì)算軟件，對(duì)半船的起浮、轉(zhuǎn)向、平移、落墩過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真分析，求出半船所受外力隨時(shí)間及旋轉(zhuǎn)角度變化的情況，直觀地描述半船平移及旋轉(zhuǎn)過(guò)程，為安全生產(chǎn)提供理論保障。

1 仿真方法及計(jì)算工具的選取

在實(shí)際半船移位過(guò)程中，半船運(yùn)動(dòng)軌跡具有較大的隨意性，不便于展開(kāi)分析。為此，將半船移位過(guò)程分解為旋轉(zhuǎn)和平移兩個(gè)主要階段。移位過(guò)程在塢內(nèi)完成，不需要考慮潮流的影響，外力只考慮拖船的拖力和塢內(nèi)海水的作用力，忽略風(fēng)載影響。利用ADAMS可對(duì)半船運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，但由于ADAMS主要面向機(jī)械構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)仿真，沒(méi)有涉及流體的動(dòng)力分析求解，為使仿真更加接近實(shí)際狀況，近似將半船轉(zhuǎn)動(dòng)和平移過(guò)程都看成是在拖船拉力和水阻力的作用下勻速進(jìn)行的。先利用流體力學(xué)仿真軟件計(jì)算求得半船移位過(guò)程中受到的水阻力，進(jìn)而求得半船移位過(guò)程中的拖輪拖力，仿真出移位過(guò)程[1]。

半船轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中所受水阻力作用復(fù)雜，求解困難，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)思想求解[2]。利用FLUENT軟件對(duì)半船以一定角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中所受水的阻力進(jìn)行求解計(jì)算?？紤]到計(jì)算效率，采用船舶初步設(shè)計(jì)軟件MAXSURF的Hullspeed模塊來(lái)求解半船平移過(guò)程中所受水阻力作用值[3]。

2 仿真過(guò)程及結(jié)果

依據(jù)上海外高橋造船有限公司提供的半船、拖船、船塢等實(shí)體的尺度，分別在ADAMS、FLUENT和MAXSURF中進(jìn)行建模。

在利用FLUENT計(jì)算半船旋轉(zhuǎn)過(guò)程中水阻力時(shí)，設(shè)定計(jì)算工況：半船吃水6 m，在計(jì)算中水上部分可忽略不計(jì)，旋轉(zhuǎn)角速度3 600 rad/s。選取計(jì)算步長(zhǎng)0.3，迭代4 000次。采用分區(qū)非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格劃分方法。船的原始狀態(tài)見(jiàn)圖2，逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格圖

計(jì)算得到的等值線見(jiàn)圖3～6，反映了不同時(shí)間船體表面流場(chǎng)的動(dòng)壓和速度分布情況。

圖4 旋轉(zhuǎn)60 s的速度等值線

圖5 旋轉(zhuǎn)1 200 s的總壓力等值線

圖6 旋轉(zhuǎn)1 200 s的速度等值線

從圖3～6可以看出，最后的計(jì)算結(jié)果是比較合理的。力矩見(jiàn)圖7。

圖7 力矩隨時(shí)間的變

利用MAXSURF軟件對(duì)半船以一定速度勻速平移過(guò)程中所受水的阻力進(jìn)行求解計(jì)算。設(shè)定的計(jì)算工況的是：吃水6 m，水上部分在計(jì)算中忽略不計(jì)，半船平移速度u=0.014 m/s。計(jì)算得到直航阻力為80 kN。

半船移位仿真中將旋轉(zhuǎn)過(guò)程分為兩個(gè)階段仿真：第一階段由拖船拖動(dòng)半船尾端進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；第二階段拖船運(yùn)動(dòng)到半船右側(cè)，由拖船頂推半船旋轉(zhuǎn)至90°時(shí)停止，旋轉(zhuǎn)過(guò)程完成。接下來(lái)便是拖船牽引直航和定位落墩。移位仿真過(guò)程見(jiàn)圖8～9。

a) 初始狀

圖9 半船平移仿

在半船平移并成功定位落墩后，船塢橫向半串聯(lián)建造法中最重要的環(huán)節(jié)——半船的移位過(guò)程就此完成，繼續(xù)吊裝其他分段即可完成整艘船體的建造。在移位過(guò)程中，拖船作用力最大值出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，為186.65 kN。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)仿真結(jié)果可以清晰地看到，上海外高橋造船有限公司的半串聯(lián)船塢建造法是切實(shí)可行的。研究成果將為實(shí)際移位過(guò)程確定拖輪牽引力及拖輪主機(jī)馬力提供理論依據(jù)。通過(guò)對(duì)半船移位全過(guò)程的仿真，可以較為精確地繪制出半船各部位的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)實(shí)際移位過(guò)程中優(yōu)化移位軌跡，避免移位過(guò)程中磕碰塢壁有很好的借鑒作用。

[1] 鄭 凱,胡仁喜,陳鹿民，等.ADAMS 2005機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2] 范成建,熊光明,周明飛.虛擬樣機(jī)軟件MSC.ADAMS應(yīng)用與提高[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3] 蔣毅文.Maxsurf 及相關(guān)設(shè)計(jì)程序在船舶設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].船海工程，2005(4):38-41.