抬船浮箱載船下水總縱強(qiáng)度計(jì)算分析

邱 華 海

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引 言

抬船浮箱載船下水屬于機(jī)械下水。根據(jù)建造工藝要求，船體下水過(guò)程分為兩大階段：第一階段是船舶移位階段（簡(jiǎn)稱(chēng)“半船下水”），即下水船舶先在1號(hào)船臺(tái)上建造，除主甲板和上層建筑外的主船體結(jié)構(gòu)搭載完成后，用小車(chē)組群承載運(yùn)到浮箱上，經(jīng)浮箱起浮移動(dòng)到2號(hào)船臺(tái)；第二階段為船舶完整性下水階段（簡(jiǎn)稱(chēng)“整船下水”），即在2號(hào)船臺(tái)上船體主結(jié)構(gòu)及大設(shè)備如主機(jī)、液罐吊裝搭載完整后下水。

抬船浮箱載船下水時(shí)，被載船體上的載荷通過(guò)墩木傳遞給抬船浮箱。本文針對(duì)采用抬船浮箱載船下水方式的22000m3液化氣船進(jìn)行總縱強(qiáng)度計(jì)算，該整船駁運(yùn)下水時(shí)，有 60個(gè)肋位處布置了墩木；半船駁運(yùn)下水時(shí)，有52個(gè)肋位處布置了墩木。圖1為在350t橫梁上橫向布置的墩木。

圖1 抬船浮箱載船墩木布置（350t橫梁）

1 抬船浮箱載船下水時(shí)總縱強(qiáng)度計(jì)算

在整個(gè)抬船浮箱載船下水過(guò)程中浮箱的安全是下水方案成功與否最為關(guān)鍵因素。抬船浮箱載船駁運(yùn)時(shí)總縱強(qiáng)度計(jì)算就是為了確保浮箱起浮后其總縱彎矩和箱體梁的撓度在許用范圍之內(nèi)，并為浮箱內(nèi)壓載水的配載提供理論依據(jù)。

計(jì)算前提條件是將下水船舶（包括橫梁及墩木）的重量中心與浮箱的重量中心調(diào)至一致，確保浮箱在水中浮起時(shí)是正浮狀態(tài)。通過(guò)對(duì)浮箱壓載水的調(diào)節(jié)來(lái)控制浮箱正浮狀態(tài)下的總縱彎曲應(yīng)力及變形情況以及各載船橫梁上楞木支反力情況。

抬船浮箱載船下水過(guò)程中的浮箱變形及總縱強(qiáng)度計(jì)算采用有限元方法進(jìn)行，計(jì)算分析軟件采用MSC.PATRAN /NASTRAN。

1.1 結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

根據(jù)抬船浮箱載船布置圖，將浮箱和下水船簡(jiǎn)化為彈性基礎(chǔ)耦合梁，把浮力的作用等效為彈性基礎(chǔ)。下水船舶與浮箱之間的相互作用采用單向受壓的彈簧模擬，建立浮箱載船下水的總縱強(qiáng)度計(jì)算結(jié)構(gòu)有限元模型，見(jiàn)圖2，建模規(guī)則[1]有：

圖2 浮箱的總縱強(qiáng)度計(jì)算模型

1)下水船船體簡(jiǎn)化為船體梁來(lái)模擬，船體梁縱向彎曲特性將采用若干各不同截面梁來(lái)模擬，根據(jù)整船與半船結(jié)構(gòu)的不同，它們彎曲特性也不同，見(jiàn)表1。

表1 船體及浮箱的彎曲特性表

2)浮箱用一等截面梁模擬；

3)船與浮箱之間支墩用接觸單元來(lái)模擬；

4)浮力用一定剛度的線(xiàn)性彈簧來(lái)模擬；

5)船體和浮箱重量以及壓載水作為外載荷施加到相應(yīng)有限元模型上。

1.2 載荷

抬船浮箱載船整船和半船駁運(yùn)下水時(shí)，抬船浮箱主要承受整船（或半船）結(jié)構(gòu)重量、橫梁重量、墩木重量、抬船浮箱結(jié)構(gòu)重量和靜水浮力等載荷。

1.2.1 結(jié)構(gòu)及舾裝重量

抬船浮箱載船整船和半船駁運(yùn)下水時(shí)的主要部分重量及重心見(jiàn)表2。

表2 結(jié)構(gòu)重量及重心

根據(jù)整船及半船各重量、重心數(shù)據(jù),可得到下水船重量載荷沿船長(zhǎng)的分布如圖3、4。

1.2.2 靜水浮力

在抬船浮箱載船整船和半船駁運(yùn)時(shí)，為使其保持正浮狀態(tài)且總縱彎矩小于最大許用彎矩，需要對(duì)抬船浮箱的壓載艙進(jìn)行壓載優(yōu)化處理。

1.3 邊界條件

由于抬船浮箱載船駁運(yùn)過(guò)程中，重力、壓載等與浮力在垂直方向平衡，因此在有限元模型的計(jì)算中，只需對(duì)其剛體位移進(jìn)行約束即可。

1.4 駁運(yùn)壓載工況

為優(yōu)化抬船浮箱在載船駁運(yùn)過(guò)程中總縱彎曲強(qiáng)度和保持抬船浮箱基本正浮，分別對(duì)抬船浮箱兩端的壓載艙進(jìn)行了各種壓載工況的計(jì)算。表3 給出整船和半船駁運(yùn)時(shí)抬船浮箱的壓載工況。

圖3 整船重量載荷分布

圖4 半船重量載荷分布

表3 壓載工況 t

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 整船

2.1.1 主要計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用MSC.NASTRAN計(jì)算求解分析模塊軟件，通過(guò)對(duì)抬船浮箱梁結(jié)構(gòu)有限元模型的計(jì)算，得到抬船浮箱梁在整船駁運(yùn)時(shí)各載荷組合工況下總縱彎矩、總縱彎曲變形和總縱彎曲應(yīng)力。表4給出每一種載荷組合工況下抬船浮箱上的最大彎矩、最大變形和最大應(yīng)力，同時(shí)給出各載荷組合工況下無(wú)反力墩木的位置。

根據(jù)表4給出的數(shù)據(jù)，繪制了抬船浮箱梁上的最大彎矩、最大變形和最大應(yīng)力與壓載量之間的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖5、6所示。

對(duì)整船下水狀態(tài)，其抬船浮箱下水的計(jì)算校核結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 整船駁運(yùn)時(shí)的最大彎矩、最大變形、最大應(yīng)力

圖5 抬船浮箱粱最大彎矩與壓載水重量的關(guān)系曲線(xiàn)（整船）

圖6 抬船浮箱粱最大變形和最大應(yīng)力與壓載水重量的關(guān)系曲線(xiàn)（整船）

表5 整船下水狀態(tài)抬船浮箱校核數(shù)據(jù)

2.1.2 小結(jié)

1)浮箱變形與總縱彎曲應(yīng)力：無(wú)壓載的狀態(tài)下，浮箱中垂很明顯，變形量達(dá)到335mm（見(jiàn)圖6），彎曲應(yīng)力約133.12MPa（見(jiàn)表5）；隨著壓載水重量的增加，變形逐步減小，彎曲應(yīng)力也隨著下降；在4166t壓載左右，浮箱接近無(wú)變形（見(jiàn)圖6），應(yīng)力僅為7.23MPa（見(jiàn)表5）；之后浮箱兩端壓載水重量繼續(xù)增大，浮箱轉(zhuǎn)為中拱狀態(tài)，變形逐步增大，應(yīng)力也快速上升。

2)浮箱-船舶系統(tǒng)整體吃水：隨著壓載水重量增大，浮箱吃水逐步增加，壓載工況 7 即 7812t壓載狀態(tài)，最大吃水為3.48m，仍可符合浮態(tài)吃水要求。

3)浮箱最大彎矩：無(wú)壓載狀態(tài)浮箱最大彎矩約33690tm（見(jiàn)圖5），超過(guò)許用最大彎矩30000tm；隨著壓載增加，浮箱最大彎矩逐漸減小，在 4166t左右壓載時(shí)，彎矩達(dá)到最小，為1829tm（見(jiàn)圖5），之后彎矩隨壓載增大反向增大。

4)浮箱舉力：船體浮箱系統(tǒng)的總重量達(dá)到14148.5t，浮箱許用最大舉力為18000t，隨著兩端壓載水重量加大，壓載工況4即當(dāng)浮箱A2、A4和A22、A24滿(mǎn)壓載，各911.4t（見(jiàn)表3），此時(shí)系統(tǒng)總重量 14148.5t+3645.6t=17794.1t，未超出許用值。

綜上所述，從整船下水狀態(tài)浮箱強(qiáng)度考慮，選取壓載工況 4（即浮箱兩端 A2、A4和 A22、A24滿(mǎn)壓載，各911.4t）時(shí)，浮箱變形、總縱彎曲應(yīng)力和最大彎矩都較小，滿(mǎn)足安全性需要，且無(wú)壓載艙自由液面的影響。

2.2 半船

2.2.1 主要計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用 MSC.NASTRAN計(jì)算求解分析模塊軟件，計(jì)算得到抬船浮箱梁在半船駁運(yùn)下水各載荷組合工況的總縱彎矩、總縱彎曲變形和總縱彎曲應(yīng)力。

表6給出各載荷組合工況下抬船浮箱的最大彎矩、最大變形和最大應(yīng)力，同時(shí)給出各種載荷組合工況下無(wú)反力墩木的位置。

表6 半船駁運(yùn)抬船浮箱粱最大彎矩、最大變形、最大應(yīng)力

根據(jù)表6給出的數(shù)據(jù)，繪制了抬船浮箱粱最大彎矩、最大變形和最大應(yīng)力與壓載量之間的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖7、8所示。

圖7 抬船浮箱粱最大彎矩與壓載水重量的關(guān)系曲線(xiàn)（半船）

圖8 抬船浮箱粱最大變形和最大應(yīng)力與壓載水重量的關(guān)系曲線(xiàn)（半船）

對(duì)半船下水狀態(tài)，其抬船浮箱載船下水的計(jì)算 校核結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 半船下水狀態(tài)抬船浮箱校核結(jié)果匯總表

2.2.2 小結(jié)

1)浮箱變形與總縱彎曲應(yīng)力：從圖7可看出，在僅保持浮箱正浮的少量壓載狀態(tài)下,浮箱中垂很明顯，變形量達(dá)到352mm，彎曲應(yīng)力約61.13MPa（見(jiàn)圖8和表7）；隨著壓載水重量的增加，變形逐步減小，彎曲應(yīng)力也隨著下降；在1700t壓載左右浮箱接近無(wú)變形，應(yīng)力僅為18MPa左右（見(jiàn)圖8）；之后浮箱兩端壓載水重量繼續(xù)增大，浮箱轉(zhuǎn)為中拱狀態(tài)，變形逐步增大，應(yīng)力快速上升。

2)浮箱-船舶整體吃水：隨著壓載水重量增大，浮箱吃水逐步增加，3497.8t壓載狀態(tài)最大吃水為1.92m，仍可符合浮態(tài)吃水要求。

3)浮箱最大彎矩：從圖7可以看出，無(wú)壓載狀態(tài)浮箱最大彎矩約 13838tm，雖然沒(méi)有超過(guò)許用最大彎矩 30000tm，但比較大；隨著壓載增加，浮箱最大彎矩逐漸減小，在2456t左右壓載時(shí)，彎矩達(dá)到最小，為-4308tm，之后彎矩隨壓載增大反向增大。

4)浮箱舉力：船體浮箱系統(tǒng)的總重量達(dá)到8617.86t，浮箱許用最大舉力為18367t，隨著兩端壓載水重量加大，當(dāng)浮箱 A3滿(mǎn)壓載 781.2t，A23壓載 633.4t，共1414.6t（見(jiàn)表3），此時(shí)系統(tǒng)總重量8617.86t+1414.6=10032.46t，未超出許用值。

綜上所述，從半船下水狀態(tài)浮箱強(qiáng)度考慮，選取壓載工況2（即浮箱A3艙滿(mǎn)壓載781.2t，A23艙部分壓載633.4t，共1414.6t）時(shí)，浮箱變形、總縱彎曲應(yīng)力和最大彎矩都較小，滿(mǎn)足安全性需要，但存在一定自由液面的影響。

3 結(jié) 論

3.1 對(duì)于整船下水

1)在無(wú)壓載水的狀態(tài)下，浮箱在載船整個(gè)下水過(guò)程的總縱彎矩不滿(mǎn)足浮箱許用總縱彎矩要求，其變形也較大，因此該狀態(tài)為危險(xiǎn)狀態(tài)；

2)當(dāng)壓載工況4（即浮箱兩端A2、A4和A22、A24滿(mǎn)壓載，各911.4t）時(shí)，浮箱變形總縱彎曲應(yīng)力較小，在載船整個(gè)下水過(guò)程的總縱彎矩亦滿(mǎn)足浮箱許用總縱彎矩要求，其變形也滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3)在整船下水狀態(tài)下，為了保證浮箱在載船整個(gè)下水過(guò)程的總縱彎矩滿(mǎn)足浮箱許用總縱彎矩要求和浮箱的變形滿(mǎn)足規(guī)范要求，建議浮箱艏、艉兩端的壓載水各自為911.4t（即浮箱兩端A2、A4和A22、A24滿(mǎn)壓載），因此時(shí)彎矩和變形較為合理。

3.2 對(duì)于半船下水

1)在僅有保持浮箱正浮的壓載水的狀態(tài)下，浮箱在載船整個(gè)下水過(guò)程的總縱彎矩和變形都較大，因此該狀態(tài)為危險(xiǎn)狀態(tài)；

2)當(dāng)壓載工況2（即浮箱A3艙滿(mǎn)壓載781.2t，A23艙部分壓載633.4t，共1414.6t）時(shí)，浮箱變形總縱彎曲應(yīng)力較小，在載船整個(gè)下水過(guò)程的總縱彎矩亦滿(mǎn)足浮箱許用總縱彎矩要求，其變形也滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3)在半船下水狀態(tài)下，為了保證浮箱在載船整個(gè)下水過(guò)程的總縱彎矩滿(mǎn)足浮箱許用總縱彎矩要求，且浮箱的變形滿(mǎn)足規(guī)范要求，在浮箱近船艉的A3艙滿(mǎn)壓載，為781.2t；近船艏的A23艙部分壓載，為633.4t，此時(shí)彎矩和變形較為合理。

但建議最好以適當(dāng)壓鐵重量置于浮箱艉部以調(diào)整浮箱正浮，同時(shí)保證浮箱兩端A3和A23都滿(mǎn)壓載，以消除自由液面對(duì)穩(wěn)性的不利影響。

3.3 結(jié)語(yǔ)

將該項(xiàng)目計(jì)算報(bào)告及時(shí)轉(zhuǎn)換為指導(dǎo)下水實(shí)施的設(shè)計(jì)方案，確保了22000m3液化氣船三批次抬船浮箱載船下水成功安全實(shí)施，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大型半冷半壓式液化氣船區(qū)域造船的空白，保障了液化氣船全面按時(shí)保質(zhì)完成，促進(jìn)了總段建造模式的發(fā)展，提高了船廠(chǎng)核心資源的利用率。與同系列產(chǎn)品相比較，船臺(tái)周期縮短約1個(gè)月；為公司創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。

[1] 孫曉凌，張世聯(lián).浮箱載船下水總強(qiáng)度的簡(jiǎn)化分析方法[J].船舶工程，2008.