基于Excel－VBA的大型船舶縱向下水計(jì)算通用程序設(shè)計(jì)

張 光 發(fā)， 劉 玉 君， 紀(jì) 卓 尚

（1.大連海洋大學(xué) 海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 引 言

目前，船舶尤其是萬噸級大型船舶，其下水過程是一個(gè)事故因素較多的工藝過程，為了確保船舶下水時(shí)的安全，除了必要的可靠設(shè)備和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)外，還必須進(jìn)行詳細(xì)周密的理論計(jì)算.對于一般的船舶，利用靜力學(xué)方法計(jì)算預(yù)測船舶下水過程中的整體受力情況，不涉及局部受力分析.但對于大型船舶，由于下水重量增加和下水過程中瞬時(shí)受力變化復(fù)雜及受環(huán)境條件的影響，有可能因局部強(qiáng)度不足而造成構(gòu)件失穩(wěn)或破壞，需要對船舶下水的局部強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算與分析.船舶縱向滑道下水的計(jì)算目的是分析下水過程中船舶的運(yùn)動狀態(tài)以及可能出現(xiàn)的各種現(xiàn)象（如船尾下落或船首下落），研究下水的安全性和需要采取的安全措施，保證船舶安全下水[1].

長期以來，國內(nèi)外的船舶技術(shù)及研究人員從靜力學(xué)和動力學(xué)方面，用各種方法對船舶下水計(jì)算進(jìn)行了研究.近年來，隨著船舶向大型化方向發(fā)展，許多學(xué)者和專家利用各種特殊的方法（如有限元法）對大型船舶（如汽車滾裝船）的下水進(jìn)行了研究和計(jì)算，極大地推動了船舶縱向下水研究的發(fā)展.吳祥虎等提出了船舶縱向下水配載優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并開發(fā)了基于Matlab的船舶縱向下水配載優(yōu)化程序[2].李磊鑫等利用動力學(xué)方法對4 300輛汽車滾裝船帶浮筒下水過程進(jìn)行了計(jì)算和分析[3].郝金鳳等對大型船舶船臺下水時(shí)艏部所受墩木支反力的分布形式及其對結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了計(jì)算分析[4].王文華等采用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）方法對船體從船臺上縱向重力式下水過程進(jìn)行動力學(xué)分析，為船體下水計(jì)算提供了水動力參數(shù)[5].國內(nèi)還有一些學(xué)者，如胡日強(qiáng)[6]，對船舶下水的底部局部強(qiáng)度通過有限元法，借助如ANSYS等結(jié)構(gòu)分析程序進(jìn)行計(jì)算與分析.

這些方法，有的計(jì)算復(fù)雜，需要基于特殊的平臺編制特殊的程序和軟件；有的輸入數(shù)據(jù)和信息比較繁瑣，影響了其實(shí)用性；有的是針對特殊的船舶和船型進(jìn)行計(jì)算和分析，通用性不強(qiáng).本文利用船舶下水的彈性計(jì)算方法，考慮船舶下水過程中的局部受力情況，基于Excel－VBA設(shè)計(jì)和編制適合于大型船舶下水計(jì)算通用程序，并以大連某船廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的5 000輛汽車滾裝船為實(shí)例，對其下水進(jìn)行計(jì)算和分析，以驗(yàn)證程序的通用性和實(shí)用性.

1 基本理論和計(jì)算內(nèi)容

1.1 下水基本方法及過程

為了保證船舶順利下水，必須具有相應(yīng)的下水設(shè)施和工藝措施.國內(nèi)外常用的一種下水方法是縱向涂油滑道下水，如圖1所示.船舶下水時(shí)，利用船臺和滑道合一的下水設(shè)施，首先將龍骨墩、邊墩和支撐全部拆除，使船舶重量移到滑板和滑道上，再松開止滑裝置，船舶便和支架、滑板等一起沿著滑道滑入水中，同時(shí)依靠船舶自身浮力漂浮在水面上.此外，為了減小滑板在滑道上的滑行摩擦阻力，在它們之間涂上一定厚度的下水油脂，故稱為縱向涂油滑道下水.這種方法適用于不同重量和船型的船舶下水，并且具有設(shè)備簡單、建造費(fèi)用少和維護(hù)管理方便等優(yōu)點(diǎn).

圖1 船舶縱向涂油滑道下水示意圖Fig.1 Illustration of ship launching with fore－andaft lubricated sideways

滑道的數(shù)目通常為2根，其間距約為船寬的1/3.滑道坡度β根據(jù)船舶的大小而定，大體范圍是：小型船舶（100m 以下）取1/12～1/15；中型船舶（100～200m）取1/15～1/20；大型船舶（200 m以上）取1/20～1/24.船上應(yīng)安裝下水架.下水架的長度通常約為船長的80%.兩端的下水架強(qiáng)度比較高，分別稱為前支架和后支架.取消前支架可改善船尾上浮時(shí)的受力分布.下水架的底板稱為滑板，其與滑道的接觸面之間敷潤滑油脂，以利滾動.船舶在船臺上的布置通常是船尾先入水.船的龍骨坡度α通常為1/100～1/200.

為了便于分析船舶運(yùn)動情況和作用力的變化，通常將下水過程劃分為4個(gè)階段[1]，具體見表1.

表1 船舶下水過程的4個(gè)階段Tab.1 The four phases of ship launching

1.2 計(jì)算原理

以往實(shí)踐表明，大型重載船舶的下水過程中，有可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力過大造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足而導(dǎo)致船體外板和結(jié)構(gòu)變形.因此，對大型重載船舶進(jìn)行下水計(jì)算及其安全性研究時(shí)，需要考慮船體局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題，計(jì)算船體在下水過程中的局部受力，校核船體局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能否滿足下水要求.

目前，常規(guī)的下水計(jì)算將船體和船臺（包括滑道和墩木）處理為剛性體，以重力矩與浮力矩作為判斷船體起浮的依據(jù)，一旦浮力對艏支點(diǎn)的力矩超過重力矩，船體尾部即與船臺脫離，全部反力集中到艏支點(diǎn)處，或按經(jīng)驗(yàn)方法將反力分布到艏部（如1/10船長處）來評估下水安全性.上述方法顯然比較粗略，難以適應(yīng)現(xiàn)代船舶尤其是大型船舶建造質(zhì)量和對安全控制的高標(biāo)準(zhǔn)要求.

船舶下水的彈性計(jì)算方法是將船體沿船長模型化為變斷面梁，并將船體自首至尾按肋距劃分為一系列梁單元，即將船體梁劃分為多個(gè)節(jié)點(diǎn)和分段的有限元連續(xù)梁，每一梁單元的截面特性按所在位置的船體橫截面計(jì)算決定，船體下水的墩木和船臺等彈性支持模型化為各個(gè)獨(dú)立的線性彈簧，按支墩的實(shí)際布置位置設(shè)置在梁單元節(jié)點(diǎn)的下方，每個(gè)支墩彈簧的剛度按1/K＝ ∑（1/Ki）算出.其中，Ki為船底結(jié)構(gòu)、墩木、滑板和滑道地基等的剛度系數(shù).

船舶下水時(shí)，在觸水之前，所有重力均由支架墩木支撐.船舶下水過程中當(dāng)某一墩木滑出船臺末端，即不再起支撐作用，船舶所受的浮力則不斷增大，直至尾浮壓力集中于艏支架.

下水計(jì)算從船體滑行的一系列位置進(jìn)行，直至船體全浮，在每一個(gè)滑行位置處，以每一個(gè)肋距作為船體切片，根據(jù)邦戎曲線計(jì)算其獲得的浮力，同時(shí)根據(jù)船體的重量分布將船體重力施加到梁單元上，用有限元法計(jì)算可得出彈性支座上的船體梁在各力作用下每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移，也即彈簧沉降，從而可得彈簧反力（即支墩反力），并可計(jì)算船體梁在每個(gè)截面處的彎矩和剪力，以進(jìn)行總縱強(qiáng)度校核.

1.3 下水計(jì)算內(nèi)容

本程序?yàn)橛邢拊Y(jié)構(gòu)計(jì)算的前端程序，主要計(jì)算及處理內(nèi)容如下：

（1）船舶下水常規(guī)計(jì)算.即計(jì)算下水過程中各個(gè)階段的船舶狀態(tài)、船舶浮力、浮力和下水重量對滑道末端和下水架前支點(diǎn)的力矩、滑道平均壓力及其力矩，繪制各計(jì)算參數(shù)的曲線圖（船舶下水曲線圖），根據(jù)曲線圖及其工況，分析船舶安全性（是否會發(fā)生船尾下落、船首下落、滑道壓力對船底的破壞等不安全現(xiàn)象）.

（2）下水過程中的船體局部受力計(jì)算，主要包括：滑道壓力分布、船體梁總縱彎矩分布.

2 基于Excel－VBA的程序設(shè)計(jì)

Excel是微軟公司的Microsoft Office系列軟件中的一個(gè)重要軟件，其功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛，已經(jīng)成為全球普遍采用的辦公應(yīng)用軟件之一.在工程計(jì)算中，不僅可以利用Excel進(jìn)行各種數(shù)據(jù)處理和簡單計(jì)算（例如類似數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)記錄和查詢等處理、數(shù)據(jù)庫鏈接、圖表繪制、整理和分析數(shù)據(jù)、基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算、中性文件暫存和數(shù)據(jù)傳遞、內(nèi)置函數(shù)等），還可以利用Excel的強(qiáng)大功能，以Excel為基礎(chǔ)平臺，利用VBA開發(fā)語言開發(fā)簡潔實(shí)用的計(jì)算程序以處理復(fù)雜問題.

VBA（Visual Basic for Application）是建立在可視化編程語言Visual Basic（VB）之上的一種嵌入式編程語言，它在普通Visual Basic語言的基礎(chǔ)上，增加了對相應(yīng)軟件不同對象的控制功能，包括對Excel工作簿、工作表、區(qū)域、數(shù)據(jù)透視表等對象的控制功能，這樣，就可以方便地對Excel進(jìn)行控制，全面提高軟件工作的自動化水平，并為之增加相應(yīng)的功能[7].VBA提供了一組基于VB開發(fā)系統(tǒng)的高級編程工具，開發(fā)者能夠使用它們來利用被包裝的應(yīng)用程序.從Office 97開始，微軟將VBA作為統(tǒng)一的應(yīng)用程序自動化語言引入到所有Office的組件中，并提供了VBA的IDE環(huán)境，直接將VBA改進(jìn)為一個(gè)完整的開發(fā)工具.

大多數(shù)工程計(jì)算軟件（如圖形軟件、應(yīng)用于船舶方向的性能計(jì)算軟件、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核軟件等）都能輸入或輸出Excel格式的文件，以利于與其他軟件進(jìn)行交互.和一般的軟件相比，大多數(shù)工程計(jì)算軟件的交互界面都比較簡單，主要是數(shù)據(jù)的輸入和輸出，重要的是后臺的數(shù)據(jù)處理，以及與其他軟件的數(shù)據(jù)交互.因此，工程計(jì)算軟件最適合于以Excel軟件為基礎(chǔ)，利用VBA進(jìn)行開發(fā)，這樣可以節(jié)省大量開發(fā)時(shí)間，同時(shí)，程序還具有很好的通用性.這樣開發(fā)出來的程序，前端利用Excel進(jìn)行用戶交互，后端接收數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后再利用Excel輸出數(shù)據(jù).前端輸入的數(shù)據(jù)可以很方便地從其他軟件輸出的數(shù)據(jù)獲取，而其輸出的數(shù)據(jù)也可以很方便地為其他軟件所利用.

3 下水計(jì)算程序設(shè)計(jì)

3.1 程序結(jié)構(gòu)

基于Excel，針對上述船舶下水計(jì)算方法和內(nèi)容，利用VBA設(shè)計(jì)和編制了適合于大型船舶下水分析計(jì)算的通用程序.根據(jù)其功能要求以及船舶下水的過程，下水計(jì)算程序主要劃分為如下6個(gè)模塊.

（1）InputData模塊：處理下水計(jì)算數(shù)據(jù)的輸入，包括下水基本數(shù)據(jù)、船舶下水重量分布、邦戎曲線數(shù)據(jù)等.

（2）Launch模塊：處理下水計(jì)算總體控制.給定步長，計(jì)算船舶狀態(tài)，計(jì)算船舶受力，保存數(shù)據(jù)，在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，直至船舶下水后呈自由浮態(tài).

（3）ShipStatus模塊：計(jì)算船舶的下水狀態(tài)，如尾垂線距船臺末端距離、船首尾吃水等.

（4）ForceCalculator模塊：計(jì)算船舶所受的各種作用力（如船舶浮力、船舶滑道末端和下水架前支點(diǎn)的力矩、滑道平均壓力及其力矩等）、下水過程中的船體局部受力以及船體梁總縱彎矩分布等.

（5）SecurityAnalyzer模塊：處理船舶安全性分析，包括船尾下落分析、船首下落分析，以及船舶總體強(qiáng)度分析.

（6）OutputData模塊：處理數(shù)據(jù)輸出.

程序的結(jié)構(gòu)及其主要流程如圖2所示，圖中步驟及處理函數(shù)見表2.

3.2 數(shù)據(jù)輸入和輸出

程序的數(shù)據(jù)輸入由InputData模塊處理，主要的輸入數(shù)據(jù)有：

（1）船舶下水基本數(shù)據(jù)，包括計(jì)算要素及船舶主尺度、船臺數(shù)據(jù)、下水設(shè)施及環(huán)境數(shù)據(jù).

（2）船舶下水重量分布數(shù)據(jù)，即輸入船舶各肋位處的重量數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)從Excel界面手工輸入，也可以從CAD圖中導(dǎo)出Excel文件，然后導(dǎo)入至下水計(jì)算程序.

（3）船舶邦戎曲線數(shù)據(jù)，即船舶每站在不同水線處的橫剖面積及其靜矩?cái)?shù)據(jù)，其為船舶性能計(jì)算的輸出數(shù)據(jù)，程序可直接利用.

表2 程序流程說明Tab.2 Description of program process

表3 船舶下水計(jì)算基本輸入數(shù)據(jù)Tab.3 Basic input data for ship launchingcalculation

數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式，輸入至Excel表格.如表3所示，表中所列數(shù)據(jù)為大連某船廠設(shè)計(jì)的5 000輛汽車滾裝船的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及實(shí)際下水設(shè)施的數(shù)據(jù)，將其作為實(shí)際算例的基本輸入數(shù)據(jù).

圖2 下水計(jì)算程序流程圖Fig.2 Sequence diagram of calculation for ship launching

下水計(jì)算程序運(yùn)行結(jié)束后，輸出的主要數(shù)據(jù)有：

（1）下水過程中各個(gè)階段的船舶狀態(tài)、船舶浮力、浮力和下水重量對滑道末端和下水架前支點(diǎn)的力矩、滑道平均壓力及其力矩.

（2）船舶安全性分析結(jié)果，如是否會發(fā)生仰傾（即船尾下落）、首跌落現(xiàn)象.

（3）下水過程中的船體局部受力，包括滑道壓力分布數(shù)據(jù)、船體梁總縱彎矩分布數(shù)據(jù).

圖3 船舶下水質(zhì)量分布圖Fig.3 Mass distribution chart of ship launching

4 算 例

4.1 算例及其分析

利用本文程序，對大連某船廠設(shè)計(jì)的5 000輛汽車滾裝船進(jìn)行了下水計(jì)算和分析.該船舶的下水基本數(shù)據(jù)如表3所示，輸入船舶下水質(zhì)量分布數(shù)據(jù)（圖3為根據(jù)數(shù)據(jù)繪制的下水質(zhì)量（m）分布圖）和船舶邦戎曲線數(shù)據(jù)后，進(jìn)行下水模擬計(jì)算，運(yùn)行該下水計(jì)算通用程序后，輸出尾浮、全浮數(shù)據(jù)和船舶安全性分析結(jié)果（如表4～7所示）、滑道壓力（F）分布和船體梁總縱彎矩（M）分布等數(shù)據(jù)（圖4、5）.

圖4 船舶下水過程中墩木壓力分布圖Fig.4 Stress distribution chart of bracket frustum during ship launching

圖5 船舶下水過程中船體梁總縱彎矩分布圖Fig.5 Total longitudinal bending－moment distribution chart of ship body beam during launching

表4 船舶下水尾浮和全浮計(jì)算數(shù)據(jù)（部分）Tab.4 Calculation result data of launching ship during stern floating and whole floating（partial）

表5 船舶下水計(jì)算總結(jié)表Tab.5 Integrated calculation data of ship launching

表6 下水過程中各個(gè)階段的船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)Tab.6 Ship status of different phases during launching

表7 下水過程中各狀態(tài)的浮力分布數(shù)據(jù)（部分）Tab.7 Float distributing data during launching（partial）

計(jì)算時(shí)，將下水過程自靜止至尾浮過程分為8個(gè)狀態(tài)，如表6所示.表7給出了各狀態(tài)的浮力值，表5為尾浮和全浮計(jì)算及安全性總結(jié).在程序中，利用有限元法，分別計(jì)算了各階段的墩木壓力以及船體梁的總縱彎矩分布，利用輸出的壓力數(shù)據(jù)，繪制各狀態(tài)的船體梁下水過程墩木壓力分布圖（如圖4所示）；利用總縱彎矩分布數(shù)據(jù)，繪制各狀態(tài)的船體梁的總縱彎矩分布圖（如圖5所示）.

通過分析表5、圖5中的數(shù)據(jù)，可得出如下結(jié)論：

（1）下水過程中，可能產(chǎn)生首跌落現(xiàn)象.

（2）全浮行程將近289m，需要準(zhǔn)備合適的下水碼頭區(qū)域，或者減小下水重量，以減小全浮行程.

（3）尾浮時(shí)，因首支架反力過大，應(yīng)保證首支架與船體外板具有足夠的接觸面積使船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求.

（4）下水過程中，最大彎矩為1.90×109N·m，在119肋位附近，其剖面慣性矩約為420m4，應(yīng)力水平小于許用應(yīng)力，船體總縱強(qiáng)度滿足許用應(yīng)力要求.

4.2 與傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)果對比

為了驗(yàn)證程序計(jì)算的結(jié)果，作者按照傳統(tǒng)的方法將下水船舶簡化為剛性梁，利用Excel表格，手工對該船的下水進(jìn)行了計(jì)算，并與文中程序計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了比較，主要數(shù)據(jù)見表8.

表8 計(jì)算結(jié)果比較Tab.8 Comparison of calculation results

通過比較可看出，基于剛性梁方法手工計(jì)算的尾浮行程比本文程序計(jì)算得到的結(jié)果延遲了1.65m，差距的原因主要是對于尾浮的判據(jù)不一致，前者的判據(jù)為重力矩與浮力矩相等，而后者的判據(jù)為尾部支墩脫離船底，前者達(dá)到尾浮要比后者需要更大的浮力，于是尾浮對應(yīng)的行程更大；尾浮時(shí)的首支架壓力有比較大的相對誤差也是尾浮判據(jù)不一致而導(dǎo)致.其他方面也基本一致.總的來說，兩種計(jì)算方法在預(yù)報(bào)是否發(fā)生仰傾、首跌落、尾浮行程及全浮行程等幾個(gè)下水特征量方面基本一致.

5 結(jié) 語

本文利用船舶下水的彈性計(jì)算方法計(jì)算船體在下水過程中的局部受力，校核船體局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能否滿足下水要求.以Excel軟件為基礎(chǔ)，利用VBA開發(fā)和編制適合于大型船舶下水計(jì)算的通用程序，可以節(jié)省大量開發(fā)時(shí)間，同時(shí)，程序還具有很好的通用性.該通用程序除具有常規(guī)的船舶下水分析功能（下水狀態(tài)和受力分析、下水總縱強(qiáng)度分析）外，還具有如下功能和優(yōu)勢：

（1）本文計(jì)算方法及程序能輸出墩木反力及其分布以及為下水安全性分析等方面提供更多的信息.

（2）可以將下水過程中的船體局部受力數(shù)據(jù)輸出后，再導(dǎo)入至強(qiáng)度分析軟件（如ANSYS）進(jìn)行船體局部強(qiáng)度分析.

（3）利用該程序的輸出數(shù)據(jù)，結(jié)合其他數(shù)據(jù)和船體下水結(jié)構(gòu)（如船舶底縱骨和肋板結(jié)構(gòu)、墩木的布置等），可對下水過程進(jìn)行其他方面的分析，如船舶下水過程中內(nèi)底縱骨應(yīng)力情況、船體底部局部強(qiáng)度等.

實(shí)例計(jì)算表明，該通用程序在大型船舶下水分析方面具有較強(qiáng)的通用性和實(shí)用性，同時(shí)在與其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互方面，也具有很強(qiáng)的通用性，前端輸入的數(shù)據(jù)可以很方便地從其他軟件輸出的數(shù)據(jù)獲取，而其輸出的數(shù)據(jù)也可以很方便地為其他軟件所利用.

[1] 盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2003

[2] 吳祥虎，程遠(yuǎn)勝，劉 均.船舶縱向下水配載優(yōu)化研究[J].中國艦船研究，2006（2）：23－25，34

[3] 李磊鑫，劉衛(wèi)斌.4300輛汽車滾裝船帶浮筒下水動力學(xué)計(jì)算分析[J].船海工程，2007（175）：30－33

[4] 郝金鳳，佟福山.大型船船臺下水時(shí)艏部強(qiáng)度計(jì)算分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，24（4）：380－384

[5] 王文華，王言英.基于CFD方法的船體下水水動力分析[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，35（3）：1－4

[6] 胡日強(qiáng).船舶下水過程局部強(qiáng)度分析研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2001

[7] 夏 強(qiáng).Excel VBA應(yīng)用開發(fā)與實(shí)例精講[M].北京：科學(xué)出版社，2006