王　亮　謝石昌

(1.廣船國際技術(shù)中心;　2.廣州紅帆電腦科技有限公司)

海安線客滾船下水計(jì)算及加強(qiáng)措施

王亮1謝石昌2

(1.廣船國際技術(shù)中心;2.廣州紅帆電腦科技有限公司)

本文簡(jiǎn)述了船舶下水計(jì)算的方法及其原理，對(duì)下水過程進(jìn)行了力學(xué)分析，以海安線客滾船為例，根據(jù)計(jì)算分析的結(jié)果，采用了一系列的加強(qiáng)措施，并說明了各項(xiàng)措施的力學(xué)理論依據(jù)，重點(diǎn)詳細(xì)介紹了一種新的加強(qiáng)手段。

客滾船下水計(jì)算有限元加強(qiáng)首墊木預(yù)離空法

0　前言

46車/999客客滾船是廣船國際為海南海峽航運(yùn)股份有限公司建造的國內(nèi)沿海航區(qū)、航行于?？?海安或類似航線的承載旅客、小汽車、載重汽車和集裝箱拖車的客/車滾裝船。

本船設(shè)計(jì)為鋼質(zhì)船體、直列中速柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)、雙機(jī)、雙槳、雙舵、前傾艏柱、球鼻艏、方艉、軸支架和流線型懸掛舵，機(jī)艙設(shè)在艉部，并設(shè)有艏側(cè)推，減搖鰭。本船在船臺(tái)建造并下水，與常規(guī)貨船相比，本船具有豐滿的上層建筑，重心位置相對(duì)靠前；艏艉線型非常消瘦，平底區(qū)域面積小，下水時(shí)艏艉都大量使用下水橫梁；船長(zhǎng)相對(duì)較短；底部肋板高度小、開孔多、板厚薄。這些因素都不利于下水過程中船底承受來自滑道的支反力。

1　下水計(jì)算方法

為了準(zhǔn)確計(jì)算出本船在船臺(tái)下水時(shí)，所有船體結(jié)構(gòu)、下水工裝在下水過程中的受力狀態(tài)和應(yīng)力分布隨時(shí)間變化的具體情況，本文采用一系列的方法和手段，等效、簡(jiǎn)化實(shí)際狀態(tài)為較簡(jiǎn)潔的力學(xué)模型，然后借助多款軟件來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的計(jì)算。

由于滑道摩擦力、水阻力沿船體縱向作用，對(duì)于船體垂向變形幾乎沒有影響。因此在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)?？梢哉J(rèn)為船體梁在下水過程中的任意時(shí)刻或位置處，都在重力、浮力和支墩反力的共同作用下保持平衡，因此本文在靜力學(xué)的范疇內(nèi)分析和處理問題。

將船簡(jiǎn)化為一根多個(gè)節(jié)點(diǎn)的彈性連續(xù)梁，一個(gè)肋位為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上存在浮力、重力和墩的支持力。將墩簡(jiǎn)化為一個(gè)彈簧，使用非線性迭代計(jì)算法，對(duì)彈簧和梁間的接觸進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)各作用力間的平衡、船體結(jié)構(gòu)變形與支墩接觸的協(xié)調(diào)、墩變形與支反力的協(xié)調(diào)，得到墩反力的準(zhǔn)確分布。如果滑道末端支墩脫離船底，即船艉已經(jīng)起浮，此時(shí)需要調(diào)整艉吃水，找到一個(gè)滿足上述平衡與協(xié)調(diào)的艉吃水?dāng)?shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)在正確浮態(tài)下的平衡與協(xié)調(diào)。通過這一計(jì)算能夠得到船底所有墩木的支反力，結(jié)合浮力和重力的分布情況，可以求出船體梁的彎矩和剪力。

上述計(jì)算過程由軟件SEACAL來完成，通過這一步的計(jì)算，獲得了船體梁各截面彎矩和剪力的分布情況，因此可以校核其總強(qiáng)度是否能滿足要求。但通常而言，船舶下水時(shí)船體梁的最大總縱彎矩和剪力遠(yuǎn)小于其設(shè)計(jì)許用值。通過軟件計(jì)算同時(shí)還得到了所有各支墩反力，建立一個(gè)區(qū)域有限元模型，將各支墩反力施加到模型上就可以算出船體結(jié)構(gòu)在支墩反力作用下的應(yīng)力及變形量，由此可以判斷船體的局部強(qiáng)度是否足夠，如果強(qiáng)度不夠，結(jié)合實(shí)際情況制定加強(qiáng)措施，并重新用有限元軟件來驗(yàn)證效果，再根據(jù)計(jì)算的結(jié)果來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)于一些艏艉線型消瘦的船舶，下水時(shí)通常會(huì)在由于線型太瘦而使外板難以與滑道接觸的位置使用下水橫梁，而橫梁都有其最大的許用載荷，在計(jì)算出各支墩反力后，對(duì)比各橫梁的許用載荷，若某處橫梁承受的載荷大于其許用載荷，那么就要替換成更大規(guī)格的橫梁或是采取其他有效措施，務(wù)必保證每一根橫梁承受的最大實(shí)際載荷不超過其最大許用載荷。

上述船舶船臺(tái)下水計(jì)算方法在我司已經(jīng)使用多年，先后在505/523系列、39000系列、48000系列、中?？蜐L船以及數(shù)型軍輔船等數(shù)十條船上應(yīng)用，實(shí)際效果非常理想，充分說明這一方法安全有效，而且根據(jù)計(jì)算的結(jié)果來制訂有針對(duì)性的加強(qiáng)措施，簡(jiǎn)化了下水工程的工作量，縮短相關(guān)工期，節(jié)約成本，經(jīng)濟(jì)性很好。

2　下水力學(xué)分析及計(jì)算結(jié)果

2.1力學(xué)分析

在下水過程中整個(gè)體系的受力分析如下：

船剛開始下滑時(shí)，船體外板尚未與水面接觸，浮力為零，各支墩反力與未下滑時(shí)相同，此時(shí)由于艉部有相當(dāng)長(zhǎng)的一部分船體結(jié)構(gòu)下面沒有支墩，這一部分結(jié)構(gòu)的重力通過船體梁往前傳遞，導(dǎo)致最后的幾根橫梁受力較大，待艉部與水面接觸后，艉部產(chǎn)生浮力，艉部的浮力增加而重力不變，因此艉部的支墩反力將從開始入水起不斷變小，所以艉部支墩的最大反力出現(xiàn)在艉部尚未入水前，并一直保持到入水瞬間才開始變小。

船體繼續(xù)下滑到一定程度時(shí)，艉部的浮力大于其重力，此時(shí)艉部開始起浮，但船體及支墩均為彈性結(jié)構(gòu)，船體底部的支墩將逐個(gè)脫離滑道，如果滑道夠長(zhǎng)，沒有出現(xiàn)艉彎，那么基本上支墩從最艉部逐個(gè)向前發(fā)生脫離，如果出現(xiàn)艉彎現(xiàn)象，那么從船中開始脫離，最終艉部浮起，隨著艉部起浮，船底基線與船臺(tái)間的夾角不斷變大，艏部的支墩依然繼續(xù)逐個(gè)往前脫離，隨著艏部支墩數(shù)量的迅速減少，而浮力的增加相對(duì)較慢，導(dǎo)致艏部支墩的反力迅速提高。艏部支墩減少到一定程度后，船底與滑道的接觸長(zhǎng)度較短，雖然基線與船臺(tái)的夾角持續(xù)增大，但由于支墩系統(tǒng)及船體本身具有一定彈性，且接觸長(zhǎng)度已經(jīng)很短，艏部支墩減少速度越來越慢，整船進(jìn)入一個(gè)相對(duì)較穩(wěn)定的階段，在這一階段內(nèi)，整船所受的浮力持續(xù)增加，艏部單個(gè)支墩的最大反力將按從后往前的順序逐個(gè)出現(xiàn)。最終浮力增加的影響大過支墩減少的影響，支墩反力回落，當(dāng)艏部吃水達(dá)到空船吃水時(shí)，船與滑道間完全脫離接觸，進(jìn)入漂浮狀態(tài)并在慣性作用下繼續(xù)滑行，最終由于水阻力而停止運(yùn)動(dòng)。

2.2反力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)本船的實(shí)際參數(shù)，使用軟件SEACAL算出的初步結(jié)果見表1。

表1　加強(qiáng)前各支撐點(diǎn)最大反力表

可以看出SEACAL計(jì)算出的結(jié)果與力學(xué)分析的結(jié)果是一致的。由于本船下水狀態(tài)時(shí)空船首吃水約為3m，滑道與船體基線間的距離約為0.95m，因此下水時(shí)，滑道末端的水深至少要達(dá)到3.95m才能避免出現(xiàn)艏跌落現(xiàn)象。海安線客滾船一共有兩條，一條在2號(hào)船臺(tái)建造，另一條在3號(hào)船臺(tái)建造。0潮位時(shí)，2號(hào)船臺(tái)滑道末端水深3.56m，潮高超過0.4m即可下水，但3號(hào)船臺(tái)滑道末端水深只有1.85m，潮高必須超過2.1m才能下水?？紤]到動(dòng)態(tài)過程中浮力延遲，最低潮位要求還需提高。但實(shí)際可預(yù)期的潮高只有2m，因此需要調(diào)整下水狀態(tài)時(shí)的艏吃水。

2.3有限元計(jì)算結(jié)果及分析

初步計(jì)算結(jié)果表明，F(xiàn)R135位置處最大支反力868t，將此力施加到有限元模型中，得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)如圖2。

圖1　有限元模型（左側(cè)外板已隱藏）

圖2　船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

結(jié)果顯示艏部支墩FR135處的船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大，此處肋板上開孔太多，板厚小都是產(chǎn)生高應(yīng)力的原因，而且由于開孔多，板厚薄，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不足，許用壓應(yīng)力較低。在巨大壓力下開孔的自由邊處極易發(fā)生失穩(wěn)，一旦部分結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，失穩(wěn)部分不能再有效承受壓力，將使未失穩(wěn)部分的壓應(yīng)力增加，可能引起失穩(wěn)區(qū)域擴(kuò)大，造成大面積的嚴(yán)重破壞。

另外，艏部FR135處橫梁的許用載荷為500t，而計(jì)算出來的支墩反力超過800t，橫梁將被壓垮，多余的載荷傳遞到附近橫梁上，附近的橫梁可能因此而超載，也被壓垮。

3　加強(qiáng)方案

結(jié)合實(shí)際情況，綜合考慮后，制訂了如下加強(qiáng)方案：

⑴下水前將第五壓載艙打滿，第五壓載艙位于FR11到FR22之間，艙容約250m2；

⑵在FR136+300，F(xiàn)R139+300處各增加一條承載能力為5 0 0t的橫梁，在FR28+413處增加一條承載能力為300t以上的橫梁；

⑶船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)板厚增加，下水前封掉部分人孔；

⑷下水前，艏部其他橫梁與船底之間的墊木按常規(guī)安裝，F(xiàn)R136+300處橫梁上的墊木高度在正常安裝的基礎(chǔ)上減少10mm，F(xiàn)R139+300處橫梁的墊木高度在正常安裝的基礎(chǔ)上少30mm。

第⑴條的作用是調(diào)整整船的重心位置，當(dāng)重心位置往后移時(shí)，由于艉部重量增加，導(dǎo)致艉浮較晚，艉浮時(shí)，艏吃水相對(duì)變大，浮力有所增加，從而使支反力變小。同時(shí)重心后移將導(dǎo)致全浮時(shí)船底基線與滑道間的夾角變小，艏吃水相對(duì)變小，避免艏跌，另外艏部與滑道的接觸面積變大，減緩了應(yīng)力集中現(xiàn)象。但此法將導(dǎo)致艉部的受力狀況變得相對(duì)惡劣，因此要根據(jù)實(shí)際情況，酌情使用。

第⑵條的作用是增加危險(xiǎn)區(qū)域的支墩數(shù)量，將危險(xiǎn)區(qū)域的支墩反力攤薄，從而降低風(fēng)險(xiǎn)。

海洋公園是海洋特別保護(hù)區(qū)的一種類型，為保護(hù)海洋生態(tài)系統(tǒng)、自然文化景觀，發(fā)揮其生態(tài)旅游功能，在特殊海洋生態(tài)景觀、歷史文化遺跡、獨(dú)特地質(zhì)地貌景觀及其周邊海域劃定的區(qū)域[2]。在選擇和確定海洋公園時(shí)，海洋公園評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)判斷其優(yōu)劣、取舍以及保護(hù)價(jià)值、等級(jí)。國家級(jí)海洋公園研究報(bào)道常見，如評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)[3]、制度建設(shè)研究[4]、生態(tài)保護(hù)目標(biāo)[5]等，而針對(duì)省級(jí)海洋公園尚少。本文以浙江省為例，突出和體現(xiàn)省級(jí)海洋公園特色，確保新建和晉級(jí)省級(jí)海洋公園質(zhì)量，參考國家級(jí)海洋公園[3]、自然保護(hù)區(qū)[6，7]、國家地質(zhì)公園[8]等標(biāo)準(zhǔn)體系，進(jìn)行省級(jí)海洋公園評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)體系研究。

第⑶條的作用是增強(qiáng)船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，使其可以承受更大的支墩反力。

第⑷條作為一個(gè)非常規(guī)的，正在探索、研究、考察和總結(jié)中的新方法，暫可稱之為艏?jí)|木預(yù)離空法，本文將作重點(diǎn)介紹，這一方法最早提出和使用是在2010年中?？蜐L船下水時(shí)，中海客滾船一共4條，全部由2號(hào)船臺(tái)下水，事實(shí)證明這一方法安全有效而且經(jīng)濟(jì)性較好。

4　艏?jí)|木預(yù)離空法

4.1理論依據(jù)

艏?jí)|木預(yù)離空法的理論依據(jù)如下：

假設(shè)所有支撐點(diǎn)均勻分布且高度、大小和剛度相同，所有結(jié)構(gòu)及下水裝置均為線彈性材料，艉浮后當(dāng)艏部只剩少數(shù)幾個(gè)支撐點(diǎn)時(shí)忽略船體梁的總體變形對(duì)支撐點(diǎn)壓力分布的影響，船底的局部壓縮變形計(jì)入到支撐點(diǎn)的壓縮量?jī)?nèi)。

當(dāng)船艉浮以后，船與滑道間的夾角不斷變大，由于整個(gè)支撐系統(tǒng)的彈性較小，夾角增大時(shí)，艏部與滑道間的接觸長(zhǎng)度不斷減少，能夠有效承壓的支撐點(diǎn)（有橫梁處的肋板）變少，而且由于夾角的存在，最前端的支撐處的壓縮量最大，往后依次減少，壓縮量與壓力成正比關(guān)系，導(dǎo)致首支點(diǎn)壓力巨大，而稍微往后一點(diǎn)的支點(diǎn)處壓力減少很多，壓力分布不均勻，在某一確定的時(shí)刻，接觸長(zhǎng)度范圍內(nèi)前半部分的支撐點(diǎn)壓力大于平均壓力，而后半部分小于平均壓力，使得靠前的支撐點(diǎn)負(fù)荷很大，甚至超過了結(jié)構(gòu)和下水裝置（下水橫梁、墊木等）的承載能力，而后邊的支撐點(diǎn)負(fù)荷很低，不能充分地發(fā)揮它的承載能力，為改變這種局面，可以從支撐點(diǎn)的壓縮量和夾角間的關(guān)系入手，如果可以在某一特定夾角時(shí)，做到各支撐點(diǎn)的壓縮量相同。那么就可以使得各支撐點(diǎn)的負(fù)荷相同，不會(huì)再出現(xiàn)首支點(diǎn)的壓力峰值，而是所有支撐點(diǎn)均攤壓力。

要使各支撐點(diǎn)壓縮量一致，可以將墩木的高度按基線與滑道間的距離差值來設(shè)置，假設(shè)某一夾角時(shí)，A支撐點(diǎn)處滑道和基線間距離為L(zhǎng)，B點(diǎn)為L(zhǎng)-DL,那么設(shè)置墩木時(shí)，可將B點(diǎn)墩木的高度設(shè)為比A點(diǎn)墩木矮DL，由于DL與L相比屬于高階小量，墩木高度減少DL對(duì)B點(diǎn)支撐剛度的影響可以忽略不計(jì)，A點(diǎn)和B點(diǎn)剛度相同，壓縮量相同，負(fù)荷必然相同，這就達(dá)到了均勻承載的目的，如圖3所示，DL的大小等于A、B兩點(diǎn)間距離乘tg@（假設(shè)船底與滑道間的夾角為@），考慮多個(gè)支撐點(diǎn)時(shí)，方法及原理相同。

圖3　原理示意圖

4.2實(shí)際操作方法

實(shí)際上，船底基線與滑道間的夾角@一直在變化中，任何針對(duì)某一固定夾角而設(shè)置的墩木高度差只在@等于設(shè)計(jì)角度時(shí)保證墩木均勻受壓，當(dāng)@稍大或是稍小的時(shí)候，其作用會(huì)被削弱，當(dāng)夾角小于@時(shí)，靠前的墩木受力小于平均值，靠后的墩木受力大于平均值，當(dāng)夾角大于@時(shí)，墩木受力分布相反。

高度差的施放只適合在最艏段的幾個(gè)墩木上實(shí)行，（當(dāng)支撐墩木較多時(shí)，雖然他們受力不均，但受力最大的墩木實(shí)際負(fù)荷并不是很大，當(dāng)墩木少到一定程度時(shí)，雖然總壓力有所下降，但能分?jǐn)倝毫Φ亩漳咎偌由鲜芰Σ痪?，出現(xiàn)個(gè)別墩木負(fù)荷很大時(shí)，采用此法才有意義）但從沒有施放高度差到有施放高度差之間有一個(gè)過渡區(qū)間，而且在@增大的過程中，總壓力持續(xù)減少，墩木數(shù)量跳躍性減少，每個(gè)支撐點(diǎn)的承載能力也并不一定相同，工程實(shí)際關(guān)心的是單個(gè)墩木處的峰值大小，情況非常復(fù)雜，為了達(dá)到最佳的效果，經(jīng)實(shí)船的大量計(jì)算驗(yàn)證和總結(jié)，得出了較好的設(shè)計(jì)夾角選取方法，下面以本船為例進(jìn)行說明。

以初步計(jì)算中艏部最危險(xiǎn)的橫梁出現(xiàn)最大壓力時(shí)的夾角或首支點(diǎn)出現(xiàn)最大壓力時(shí)的夾角作為參考計(jì)算出對(duì)應(yīng)的高度差值，從施工精度和方便考慮，盡量使方案中的施放的高度差為整數(shù)并有規(guī)律。在此@的基礎(chǔ)上按某一步長(zhǎng)進(jìn)行增減，再制訂數(shù)個(gè)方案，步長(zhǎng)的設(shè)定根據(jù)實(shí)際情況來定，需要考慮各支撐點(diǎn)剛度不同的影響。

采用迭代計(jì)算的方法，按設(shè)定的數(shù)個(gè)高度差施放方案，按照不同的滑程一一計(jì)算修正，然后根據(jù)結(jié)果選取其中效果最理想的作為最終方案。

本船采用這一措施后的修正驗(yàn)算方法如下：

以#137作為首支點(diǎn)，在第五壓載艙打滿壓載水的條件下，使用SEACAL軟件重新計(jì)算尾浮后艏部重點(diǎn)關(guān)注位置處和滑程區(qū)間的數(shù)個(gè)支撐點(diǎn)在不同滑程時(shí)承受的壓力。然后對(duì)各個(gè)滑程所對(duì)應(yīng)的支撐點(diǎn)進(jìn)行壓力修正。對(duì)于某一滑程，根據(jù)其艏部總壓力和支撐點(diǎn)數(shù)量和剛度和高度進(jìn)行壓力重新分配，各點(diǎn)受壓后頂點(diǎn)連線與船基線重合，即斜率相同，各點(diǎn)的壓縮量乘其剛度為所承受的壓力，各點(diǎn)壓力之和與修正前相同，由此可列出方程組求解，但支撐點(diǎn)存在減少和增加的可能（接觸非線性），如果解出有壓縮量為負(fù)值的，剔除對(duì)應(yīng)支撐重新求解，如果有壓縮量大于前端認(rèn)為尚未接觸的支撐點(diǎn)所放的高度差，那就需要多計(jì)入一個(gè)支撐點(diǎn)。

一般只有艏部3-4個(gè)支撐點(diǎn)會(huì)承受較大壓力，且剛度相近，那么可以把某個(gè)支撐點(diǎn)由于放了高度差而卸載掉的載荷重新分配，此法計(jì)算工作量較少，精度也能滿足實(shí)際需要。

本船相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)見表2。

很顯然，采用此法后，首支點(diǎn)壓力大幅度下降，對(duì)船體結(jié)構(gòu)、下水裝置、滑道等的要求明顯降低，對(duì)確保下水安全起到關(guān)鍵作用。

表2　艏部支撐點(diǎn)壓力修正

5　結(jié)束語

所有措施到位后，艏部下水橫梁的最大載荷由868t下降到415t，確保了海安線客滾船順利安全下水。本船下水雖然有很多的不利因素，但由于船臺(tái)下水而產(chǎn)生的額外成本卻相對(duì)較少，這主要由于措施制訂得當(dāng)，相關(guān)工作介入及時(shí)以及新方法的使用，這一方法對(duì)于艏支點(diǎn)反力過大非常有效，最多可降低50%以上，其它常規(guī)方法不過10%-20%，且不附帶任何負(fù)面影響，目前已經(jīng)得到兩種型號(hào)多條船的實(shí)際驗(yàn)證，既能縮短工期又節(jié)約成本，而且安全高效，值得推廣。

10.3969/j.issn.2095-4506.2016.01.001

王亮：（1984--），男，工程師，船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

謝石昌：（1986--），男，助理工程師，船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（2015-7-9）