船體搭載塢墩枕木下沉預報與實測分析

周德壽，王佳穎，萬 忠

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引 言

船體建造精度控制是各大造船企業(yè)在發(fā)展過程中面臨的重大課題。而船體搭載過程中的底部下沉量是控制整船搭載精度的基礎(chǔ)。近年隨著行業(yè)的飛速發(fā)展，建造船型噸位越來越大，船體在搭載過程中的塢墩枕木下沉量已成為控制船舶建造精度不可忽視的重要因素。以滬東中華船塢中使用的組合塢墩為例，上方枕木長約1.5m、寬0.4m、高為0.5m，見圖1。以實際建造經(jīng)驗而言，大型集裝箱船、LNG船（液化天然氣船）等具有較大噸位的船舶，在船體搭載過程中塢墩枕木均有一定程度的下沉。

目前，對于船舶坐墩反力和塢墩布置設計已有不少相關(guān)的研究。管波等[1]針對30萬t油輪在各工況下的艙段塢墩橫向載荷分布進行了分析研究。張壽富等[2]研究了塢墩的剛度和強度、船舶坐墩的總縱強度及局部強度、船舶傾側(cè)等對進塢坐墩的影響，提出了船舶布墩應遵循的原則和注意事項。何光偉等[3]對30萬t VLCC和8.2萬t散貨船在干塢狀態(tài)下注入壓載水的塢墩受力進行了詳細分析。但對于塢墩枕木搭載下沉量的研究文獻較少。

圖1 滬東中華造船集團塢墩實樣

以滬東中華造船集團17.2萬m3LNG船的實船塢墩布置為例，針對搭載塢墩枕木下沉量，主要開展了以下研究工作：1）對實船建造過程中的塢墩枕木下沉量進行測量；2）對搭載后的塢墩枕木下沉量以及塢墩反力，進行全船有限元分析預報。通過搭載船舶底部下沉量的理論分析和實測對比，總結(jié)塢墩布置經(jīng)驗，為今后調(diào)整優(yōu)化船塢塢墩布置、控制船體基線精度[4]和船底受力局部強度分析提供理論支撐。

1 概述

該 LNG船是滬東中華集團開發(fā)設計建造的高端出口產(chǎn)品。該船總長 290m，兩柱間長 278m，型寬46.95m，設計吃水11.5m，結(jié)構(gòu)吃水12.5m。表1給出了該船沿船長方向各區(qū)域的塢墩受力統(tǒng)計分析。從表中可見艉部總段的塢墩受力較大，因此其實船建造底部下沉也相對較大。圖 2、3給出了該船艉部和船舯貨艙的塢墩布置示意圖。

表1 研究目標船型總環(huán)段對應塢墩布置統(tǒng)計

圖2 17.2萬m3 LNG船艉部塢墩布置

圖3 17.2萬m3 LNG船舯部塢墩布置

2 全船有限元分析

2.1 有限元建模

以船體底部下沉量和塢墩受力為研究目標，采用全船有限元分析對船體搭載變形和下沉量進行預報分析。采用 MSC.PATRAN/NASTRAN進行有限元建模和分析，全船有限元模型見圖 4。在有限元建模時，板架結(jié)構(gòu)中除了縱骨、T型材面板和支柱等用梁單元近似模擬外，其他構(gòu)件均用板單元模擬，以真實地反映實際結(jié)構(gòu)的形式。結(jié)構(gòu)自重通過給定單元的材料密度γ以重力加速度g模擬，電氣重量、輪機重量、舾裝重量可根據(jù)重量分布及重心數(shù)據(jù)，利用力的等效原理將上述重量分配到相應有限元節(jié)點上。建模時，在每個縱骨間距和肋骨間距之間設置一個單元。該全船結(jié)構(gòu)有限元模型總計有 136841個節(jié)點和310331個單元（172568個板單元，136890個梁單元，873個點單元）以及71個MPC。

圖4 LNG船有限元模型

2.2 載荷和邊界條件

雖然船體在整個搭載過程中仍然有大量焊接工作需要不斷完成，船體結(jié)構(gòu)還不具備整體連接剛度。但是在文獻[5]中，敘述了即便考慮船體連接剛度，船舶落墩時的反力與重量分攤計算基本一致。因此，為簡化分析，忽略整個搭載過程中焊接工序?qū)Υw結(jié)構(gòu)整體剛度以及焊接變形對船體底部塢墩枕木下沉量的影響。

在船塢建造過程中，船體同時承受重力和塢墩的支撐反力。塢墩通常由水泥墩子和墊木組成，其中水泥墩子可視為剛性體，將墊木假定為彈性體。

有限元分析的載荷和邊界條件采用以下方法模擬：

1）施加重力加速度（-9.8m/s2）在整船模型上，以模擬重力作用；

2）在中縱桁強框底部交界處艏節(jié)點約束船長和船寬方向自由度，艉節(jié)點約束船寬自由度，用以限制船體剛體位移約束；

3）塢墩采用彈簧點單元模擬，彈簧剛度k=AE/h，其中，A為塢墩墊木面積；E為塢墩墊木彈性模量；h為塢墩墊木高度。墊木剛度E采用實測結(jié)果，取90MPa。

2.3 有限元預報結(jié)果

圖5給出了根據(jù)現(xiàn)有塢墩布置方案使用傳統(tǒng)塢墩船體底部搭載變形有限元分析預報結(jié)果。由圖可知，在貨艙區(qū)艙壁下方由于其承載的重量相對較大，因此在艙壁下的塢墩有 4～6mm的下沉量；在貨艙區(qū)非艙壁區(qū)域由于其承載的重量較輕，該區(qū)域的塢墩下沉量較小（<2mm）；另外，機艙區(qū)域承載重量較大，但是由于該處塢墩布置較密，該區(qū)域的塢墩平均有3～6mm的下沉量，但是在艉部軸孔處由于無法布置更多的塢墩，在艉軸孔位置有接近12mm的下沉量。

以右舷部分為例，圖6、7分別給出了貨艙典型區(qū)域以及機艙艉部區(qū)域的塢墩支撐反力有限元預報結(jié)果。在貨艙區(qū)域艙壁和舷側(cè)處支撐反力較大，艉部區(qū)域支撐反力較大，特別是最艉端由于塢墩數(shù)量少，因此最大支撐反力≈125t。

圖5 現(xiàn)有塢墩布置方案下的船底搭載變形預報分析結(jié)果

圖6 典型貨艙區(qū)域塢墩反力有限元預報結(jié)果

圖7 機艙艉部區(qū)域塢墩反力有限元預報

3 塢墩枕木下沉量實測

在該LNG船的船體搭載過程中，對該船貨艙典型區(qū)域（主要為CBZ02P/S下面點）和機艙區(qū)域（主要為EBZ02和EBZ01尾端位置）的塢墩枕木下沉量進行了測量。圖8、9分別給出了貨艙和機艙區(qū)域塢墩下沉量的測試位置，表2給出了貨艙、機艙區(qū)域塢墩以及尾軸孔下沉量的實測數(shù)據(jù)。

圖8 貨艙塢墩下沉量的測試位置

圖9 機艙區(qū)域塢墩下沉量的測試位置

表2 塢墩下沉量實測數(shù)據(jù) 單位：mm

4 有限元預報與實測分析對比

有限元預報由于采用理論分析手段，其分析結(jié)果的精度取決于力學模型模擬的準確性；而實測數(shù)據(jù)較為準確，但也受到測量精度等因素的影響。綜合以上對船體底部塢墩下沉量的有限元預報結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行比較分析如下：

1）有限元預報貨艙區(qū)墩木下沉量為1～6mm，平均≈3mm，與實測數(shù)據(jù)平均2.9mm基本一致；

2）有限元預報機艙區(qū)墩木下沉量為3～6mm，平均≈4.5mm，與實測數(shù)據(jù)4.5mm基本接近；

3）有限元預報尾軸孔平均下沉量為12mm，與實測平均15.5mm基本接近。

從有限元預報與實測數(shù)據(jù)的對比結(jié)果來看，兩者基本接近，理論預報方法基本能夠反映搭載過程中的船體底部下沉趨勢。

5 塢墩布置優(yōu)化

基于以上分析，可以對研究船型的塢墩布置進行如下優(yōu)化：

1）考慮貨艙區(qū)域較小的塢墩枕木下沉量以及反力，可以適當較少貨艙區(qū)塢墩數(shù)量；

2）優(yōu)化塢墩布置時盡量減少單個塢墩承重較輕區(qū)域的塢墩數(shù)量，避免減少艙壁、舷側(cè)等單個塢墩受力較大區(qū)域的塢墩數(shù)量；

3）機艙區(qū)域塢墩布置較密，可以適當減少塢墩，但若單純減少塢墩布置數(shù)量會加大機艙區(qū)域的船體下沉趨勢，并對后續(xù)軸系照光鏜孔等工作造成影響，故優(yōu)化后考慮在機艙下方采用鋼質(zhì)塢墩以減少下沉量；

4）由于貨艙和艏部原來的搭載下沉有限，因此可以不采用鋼質(zhì)塢墩。

按照以上思路進行優(yōu)化，在機艙艉部使用鋼質(zhì)塢墩，并減少布置塢墩數(shù)量。通過優(yōu)化可以減少約16%的塢墩數(shù)量。和此前所不同的是機艙區(qū)計算采用鋼質(zhì)塢墩，墊木長1.2m，寬0.5m，高0.05m，具有較大的剛度。

圖 10給出了優(yōu)化塢墩布置后的底部結(jié)構(gòu)下沉量圖。從圖中可以看出，若采用優(yōu)化后的塢墩布置，船體搭載下沉量變形的控制體現(xiàn)在兩方面：

1）盡管在貨艙區(qū)域減少了塢墩數(shù)量，但貨艙區(qū)域下沉量也基本不變；

2）由于在機艙區(qū)域使用了鋼質(zhì)塢墩，該區(qū)域的下沉量得到了極為明顯的控制，使用鋼制塢墩后幾乎無下沉，尾軸孔的下沉量預計在3mm左右，和此前12mm相比明顯減少。

另外對改變塢墩布置后，對該船的底部局部強度進行評估。圖 11給出優(yōu)化塢墩布置方案下機艙與貨艙底部過渡區(qū)域的結(jié)構(gòu)應力分布，該最大應力為156MPa小于屈服應力，能夠滿足局部強度要求。

圖10 優(yōu)化塢墩布置方案下的船底搭載變形預報分析結(jié)果

圖11 優(yōu)化塢墩布置方案下機艙與貨艙底部過渡區(qū)域的結(jié)構(gòu)應力分布

6 結(jié) 語

隨著船舶行業(yè)的發(fā)展，建造船舶的噸位日益增大，船體搭載塢墩枕木的下沉量問題成為影響造船搭載精度的基礎(chǔ)。以滬東中華造船集團17.2萬m3LNG船的實船塢墩布置為研究對象，針對搭載塢墩枕木下沉量，進行了實船測量和全船有限元預報分析。通過搭載船舶底部下沉量的理論分析和實測對比，進行了塢墩優(yōu)化布置，為今后調(diào)整優(yōu)化船塢塢墩布置、控制船體基線精度和保證船底受力局部強度提供理論支撐。分析結(jié)果小結(jié)如下：

1）從有限元預報與實測數(shù)據(jù)的對比結(jié)果來看，兩者結(jié)果基本接近，因此采用理論預報方法基本能夠反映搭載過程中的船體底部下沉量的變化趨勢；

2）對于LNG船建造而言貨艙區(qū)枕木下沉量較小，可以考慮適當減少布置塢墩數(shù)量，為減小機艙和艉部區(qū)域塢墩下沉量，可以考慮使用鋼質(zhì)塢墩。

[1] 管 波，朱 浩，孫大鵬，等. 30萬t油輪塢墩橫向載荷分布研究[J]. 水運工程, 2012, 8（469）: 48-51.

[2] 張壽富，朱小龍. 船舶布墩理論與實踐[J]. 江蘇船舶，1995,12(3):19-30.

[3] 何光偉，薛 林. 基于有限元法的船舶干塢狀態(tài)下注入壓載水塢墩受力分析[J]. 廣東造船，2012: 45-46,54

[4] 楊 振，劉建峰. 溫度場變化對船塢搭載精度控制的影響研究[J]. 船舶與海洋工程，2013, (3): 16-20.

[5] 王佳穎. LNG 船進塢塢墩布置設計研究[J].船舶工程，2012，34(2):121-124.