大型浮船塢水平船臺(tái)2滑道接駁強(qiáng)度及變形分析

李川江，唐文勇，汪家政

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240； 2.舟山長(zhǎng)宏國(guó)際船舶修造有限公司，浙江 舟山 316000)

大型浮船塢水平船臺(tái)2滑道接駁強(qiáng)度及變形分析

李川江1,2，唐文勇1，汪家政2

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240； 2.舟山長(zhǎng)宏國(guó)際船舶修造有限公司，浙江 舟山 316000)

摘要：為分析大型浮船塢整體在水平船臺(tái)滑道上建造接駁的可行性，采用有限元法對(duì)某150 MN舉力的160 m浮船塢結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平船臺(tái)2滑道接駁過(guò)程中的強(qiáng)度及變形分析。根據(jù)分析結(jié)果，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單局部加強(qiáng)后，接駁強(qiáng)度和變形滿足相關(guān)要求，大型浮船塢可在水平船臺(tái)上建造接駁。

關(guān)鍵詞：浮船塢；水平船臺(tái)；有限元；強(qiáng)度；變形

浮船塢主要用于各類(lèi)船舶的修理作業(yè)[1]，隨著近年來(lái)平地造船的興起，浮船塢又增加了水平船臺(tái)接駁下水的功能，相對(duì)于船塢造船，平地造船具有節(jié)約建設(shè)資金、有效降低建造成本、快速提高造船能力等優(yōu)勢(shì)[2]。常規(guī)的浮船塢是在干船塢內(nèi)進(jìn)行，通過(guò)傳統(tǒng)的船塢注水方式起浮出塢。但由于其超寬的結(jié)構(gòu)，有很多船廠只能在斜船臺(tái)上建造，然后通過(guò)船臺(tái)滑道及船架下水[3]。對(duì)于大型的浮船塢，限于船臺(tái)承載能力，在船臺(tái)上建造時(shí)，一般將船塢分為多個(gè)大型總段分別下水，再在水下合攏[4]。姜磊等[5]根據(jù)CCS規(guī)范對(duì)浮船塢進(jìn)行了各種工況下總縱強(qiáng)度和橫向強(qiáng)度直接計(jì)算。趙振宇等[6]分析了不同加載方式和約束條件對(duì)浮船塢整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。劉國(guó)輝等[7]通過(guò)有限元法對(duì)浮船塢建造及浮塢接載船舶時(shí)的支墩反力進(jìn)行過(guò)計(jì)算模擬。陳慶強(qiáng)等[8]采用有限元法分析過(guò)采用3個(gè)支墩承載接載船舶的浮船塢受力工況，均沒(méi)有對(duì)浮船塢本身在滑道上滑移時(shí)的強(qiáng)度及變形進(jìn)行分析。

當(dāng)建造的浮船塢采用2條滑道接駁到大型浮船塢上后下水時(shí)，浮船塢接駁滑移時(shí)自身強(qiáng)度及變形將是建造方案需要考慮的最重要因素，有必要對(duì)浮船塢的近距離2滑道接駁整體強(qiáng)度及變形進(jìn)行分析，以確保浮船塢安全接駁。

由于浮船塢沿塢長(zhǎng)、塢寬結(jié)構(gòu)較均勻，理論上其在滑道上的受力情況可簡(jiǎn)化為船體梁，采用材料力學(xué)中彎曲變形理論進(jìn)行校核。但因其跨度較大，浮箱結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜，故考慮采用Patran軟件對(duì)浮船塢的受力狀態(tài)進(jìn)行分析[9]，同時(shí)也用材料力學(xué)的彎曲理論對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1浮船塢2滑道滑移受力計(jì)算

1.1浮船塢參數(shù)

本文針對(duì)水平船臺(tái)建造的一艘浮船塢，塢長(zhǎng)度160 m，平底區(qū)域、塢墻結(jié)構(gòu)長(zhǎng)145.6 m，艏艉為楔形結(jié)構(gòu)，整體寬度46 m，內(nèi)塢壁寬40 m，塢深18.4 m，浮箱甲板高度4.6 m，平直區(qū)域平均肋板間距2.6 m，全船共8個(gè)壓載艙，壓載艙的平均長(zhǎng)度約為18.2 m，浮塢作業(yè)吃水4.2 m，最大深沉15 m，最大舉力150 MN，肋骨間距1.4 m，甲板載荷80 kPa，理論上可進(jìn)行5萬(wàn)t級(jí)船舶的接駁。

全塢結(jié)構(gòu)總重量約6 552.00 t，實(shí)際下水重量按總重量1.2倍估算約7 862.40 t，有限元建模時(shí)按照浮船塢的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行，對(duì)建好的模型按浮船塢實(shí)際重量分布情況進(jìn)行調(diào)整。

1.2下水滑道

水平船臺(tái)上1號(hào)船臺(tái)滑道間距8.0 m，2號(hào)船臺(tái)滑道間距14.5 m，下水滑道沿著浮塢長(zhǎng)度方向布置，滑道本身寬度為1.2 m，下水時(shí)，1.2 m寬度范圍內(nèi)完全承重，根據(jù)浮船塢橫剖面上的重量分布，左右舷重心線間距約為28 m，即理論上，滑道中心間距在28 m范圍內(nèi)，間距越大，浮船塢受力情況越好，而現(xiàn)有的2類(lèi)滑道中心間距均在28 m范圍內(nèi)，因此，理論上2號(hào)船臺(tái)的14.5 m間距對(duì)浮船塢受力更好。但因船臺(tái)造船周期較緊張，此浮船塢有可能在兩船臺(tái)的任一船臺(tái)建造，因此主要對(duì)存在極端情況的間距8.0 m滑道受力情況進(jìn)行分析，對(duì)14.5 m滑道方案復(fù)核即可。

浮船塢在8.0 m下水滑道上布置如見(jiàn)圖1，浮船塢船體直接擱置在放有墩木的滑車(chē)上，通過(guò)移船絞車(chē)?yán)瓌?dòng)滑車(chē)，滑車(chē)通過(guò)鏈輪在滑道上滑動(dòng)。

1.3浮船塢受力模型簡(jiǎn)化

1.4約束條件及受力工況

1.4.1有限元分析

根據(jù)簡(jiǎn)化后的艙段模型，采用Patran有限元軟件建立有限元模型進(jìn)行分析，有限元建模時(shí)，每肋位間距、縱骨間距按2個(gè)網(wǎng)格方式劃分，艙段模型板厚云圖如圖2所示。

圖2　160 m浮船塢有限元模型板厚云圖

重量調(diào)節(jié)，對(duì)比預(yù)估重量、實(shí)際結(jié)構(gòu)建模重量，通過(guò)修改密度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)自重，以使模型重量達(dá)到預(yù)估重量，加載重力加速度9.8 m/s。

約束條件，根據(jù)浮船塢與滑道的接觸和運(yùn)行方式，對(duì)船底外板中心線上所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行船寬方向和船長(zhǎng)方向(模型的X和Z方向)的約束，對(duì)中心距8.0 m滑道區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行型深方向上的約束(模型Y方向)。

2計(jì)算結(jié)果分析

2.1有限元分析結(jié)果

8 m滑道方案，最大應(yīng)力為240.0 MPa，發(fā)生在水密艙壁的最外側(cè)約束點(diǎn)區(qū)域，見(jiàn)圖3。

圖3　8 m滑道方案水密艙壁最大應(yīng)力區(qū)域

因最大應(yīng)力超出最大許用應(yīng)力，需對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)處理，經(jīng)綜合分析，加強(qiáng)方式為將受力集中區(qū)域的壁厚加強(qiáng)到30 mm，加強(qiáng)后最大應(yīng)力為144 MPa，最大應(yīng)力區(qū)域仍然發(fā)生在最外側(cè)約束點(diǎn)區(qū)域，見(jiàn)圖4。

圖4　8.0 m滑道方案局部加強(qiáng)后水密艙壁最大應(yīng)力區(qū)域

8.0 m滑道方案加強(qiáng)后的計(jì)算結(jié)果變形云圖見(jiàn)圖5，最大為37.8 mm，發(fā)生在頂甲板的最邊緣區(qū)域。垂向(模型Y向)最大變形量為31.5 mm，橫向(模型X向)最大變形量為20.8 mm，最大變形均發(fā)生在頂甲板的最邊緣區(qū)域。

對(duì)14.5 m滑道進(jìn)行復(fù)核，結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2強(qiáng)度及撓度變形標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)的von Mises相當(dāng)應(yīng)力取235/KMPa，其中K為材料系數(shù)，按普通鋼取1，即取相當(dāng)應(yīng)力235 MPa[10]，浮船塢接駁自由滑移過(guò)程可看做大型重物移動(dòng)過(guò)程，根據(jù)起重作業(yè)安全系數(shù)相關(guān)規(guī)定[11]，構(gòu)件在安全工作時(shí)，所允許產(chǎn)生的許用應(yīng)力為

圖5　8.0 m滑道方案局部加強(qiáng)后結(jié)果變形云圖

滑道間距類(lèi)別加強(qiáng)前最大應(yīng)力/MPa加強(qiáng)后最大應(yīng)力/MPa橫向最大變形/mm垂向最大變形/mm整體最大變形/mm8.0m24014420.831.537.814.5m23314018.723.930.3

式中：σs——允許的最大應(yīng)力，此處為235 MPa；

ms——材料屈服強(qiáng)度安全系數(shù)，一般取ns=1.4～1.7，此處取ns=1.6。

結(jié)構(gòu)的許用撓度按不大于L/150取值，對(duì)于8.0 m滑道L取最短懸臂長(zhǎng)18.4 m，即最大變形不超過(guò)122.7 mm為合格，14.5 m滑道時(shí)L取最短懸臂長(zhǎng)15.2 m，即最大變形不超過(guò)101.3 mm為合格。

2.3計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)分析

根據(jù)強(qiáng)度及撓度變形標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比各計(jì)算方式各滑道的結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2　各類(lèi)滑道有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表2結(jié)果表明，局部加強(qiáng)后滿足要求。

2.4下水實(shí)測(cè)情況

根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)度，該船塢被安排在2號(hào)船臺(tái)建造，根據(jù)有限元分析結(jié)果，在建造時(shí)對(duì)水密艙壁的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。采用全站儀作為監(jiān)測(cè)工具，其測(cè)量精度為±2 mm/km，在浮船塢船舯位置的浮箱甲板、頂甲板內(nèi)側(cè)設(shè)置全站儀監(jiān)測(cè)點(diǎn)，浮船塢浮箱甲板端部滑道位置上方設(shè)置全站儀觀測(cè)點(diǎn)，分別記錄浮船塢上滑道前后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。

對(duì)接駁上滑道時(shí)敲墩前后塢體的變形狀態(tài)進(jìn)行全站儀跟蹤測(cè)量，下水后對(duì)艙壁局部情況進(jìn)行檢查，無(wú)任何變形或破壞情況。浮船塢上滑道后船舯位置變形結(jié)果匯總見(jiàn)表3。

>現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際接駁時(shí)影響變形的因素較多，如與實(shí)際接駁時(shí)整船受力，浮塢艏艉均成封閉結(jié)構(gòu)，理論分析僅對(duì)局部艙段進(jìn)行，且兩端呈開(kāi)口狀態(tài)以及計(jì)算重量預(yù)估分配等原因有關(guān)，但根據(jù)表中數(shù)據(jù)對(duì)比，最大變形小于實(shí)測(cè)值。

表314.5 m滑道接駁浮船塢變形數(shù)據(jù)對(duì)比

mm

3結(jié)束語(yǔ)

大型浮船塢整體采用水平船臺(tái)滑道下水，對(duì)船廠來(lái)說(shuō)挑戰(zhàn)極大，因僅2條滑道支撐整船體，需充分考慮塢體自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，計(jì)算分析表明只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，即可滿足浮船塢的水平船臺(tái)建造接駁強(qiáng)度要求，同時(shí)，以下水實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)表明整體分析方法相對(duì)可靠，此方法可推廣應(yīng)用到其他大型或超大型的船舶或海洋結(jié)構(gòu)物的水平船臺(tái)建造接駁分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣浩福.萬(wàn)噸級(jí)浮船塢設(shè)計(jì)發(fā)展概況[J].船舶設(shè)計(jì)通訊.1996,89(1):51-54.

[2] 黃文飛.平地造船法工法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[3] 唐洪建.3萬(wàn)kN舉力浮船塢的建造與試驗(yàn)[J].造船技術(shù)，2005,265(3):22-30.

[4] 佟國(guó)志，龔禮兵，高淵，等.12萬(wàn)t舉力超大型浮船塢建造工藝與方案[C].中國(guó)大連國(guó)際海事論壇，2008：316-322.

[5] 趙辰宇，劉寅東.浮船塢結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算方法對(duì)比研究[J].船海工程，2013,42(1):1-4.

[6] 姜磊，陳攀，李坤.119 m浮船塢結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析[J].船海工程，2015,44(4):5-13.

[7] 劉國(guó)輝，葉家瑋.船舶水平縱向浮船塢下水分析[J].船舶工程，2012,34(2):57-60.

[8] 陳慶強(qiáng)，朱勝昌，陳章義，等.下排浮船塢塢體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].船舶力學(xué)，2002,6(4):51-61.

[9] 龍凱，賈長(zhǎng)治，李寶峰，等.Patran 2010與Nastran 2010有限元分析從入門(mén)到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[10] 中國(guó)船級(jí)社.鋼制海船入級(jí)規(guī)范[M].北京：人民交通出版社,2014.

[11] 黃浩，船體工藝手冊(cè)[M],北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

Strength and Deformation Analysis of the Large Floating Dock in the Process of Transshipping on 2 Slipways of the Horizontal Berth

LI Chuan-jiang1,2, TANG Wen-yong1, WANG Jia-zheng2

(1 School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Zhoushan Changhong International Shipyard Co. Ltd., Zhoushan Zhejiang 316000, China)

Abstract:For analyzing the feasibility that the large floating dock is built and transshipped on slipway of the horizontal berth, the finite element method is used to analysis the strength and deformation of a large floating dock which has 150 MN lifting capacity, 160 m length and plans to be transshipped on 2 slipways of the horizontal berth. According to the analysis result, the strength and deformation meets the requirements but it needs to be strengthened in some local area. So the large floating dock could be built and transshipped on the horizontal berth after structure strengthening.

Key words:floating dock; horizontal berth; finite element method; strength; deformation

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.007

收稿日期：2015-11-10

第一作者簡(jiǎn)介：李川江(1986—)，男，學(xué)士，工程師 E-mail:bzlizhiguo@126.com

中圖分類(lèi)號(hào)：U673.332

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)03-0031-04

修回日期：2015-11-30

研究方向:船舶建造工藝等