海安線客滾船下水計算及加強措施

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算及加強措施

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)

本文簡述了船舶下水計算的方法及其原理，對下水過程進行了力學分析，以海安線客滾船為例，根據(jù)計算分析的結(jié)果，采用了一系列的加強措施，并說明了各項措施的力學理論依據(jù)，重點詳細介紹了一種新的加強手段。

客滾船下水計算有限元加強首墊木預(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股份有限公司建造的國內(nèi)沿海航區(qū)、航行于海口-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)計為鋼質(zhì)船體、直列中速柴油機驅(qū)動、雙機、雙槳、雙舵、前傾艏柱、球鼻艏、方艉、軸支架和流線型懸掛舵，機艙設(shè)在艉部，并設(shè)有艏側(cè)推，減搖鰭。本船在船臺建造并下水，與常規(guī)貨船相比，本船具有豐滿的上層建筑，重心位置相對靠前；艏艉線型非常消瘦，平底區(qū)域面積小，下水時艏艉都大量使用下水橫梁；船長相對較短；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　下水計算方法

為了準確計算出本船在船臺下水時，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)力分布隨時間變化的具體情況，本文采用一系列的方法和手段，等效、簡化實際狀態(tài)為較簡潔的力學模型，然后借助多款軟件來實現(xiàn)復(fù)雜的計算。

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

將船簡化為一根多個節(jié)點的彈性連續(xù)梁，一個肋位為一個節(jié)點，在每個節(jié)點上存在浮力、重力和墩的支持力。將墩簡化為一個彈簧，使用非線性迭代計算法，對彈簧和梁間的接觸進行調(diào)整，實現(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，此時需要調(diào)整艉吃水，找到一個滿足上述平衡與協(xié)調(diào)的艉吃水數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)在正確浮態(tài)下的平衡與協(xié)調(diào)。通過這一計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。

上述計算過程由軟件SEACAL來完成，通過這一步的計算，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度是否能滿足要求。但通常而言，船舶下水時船體梁的最大總縱彎矩和剪力遠小于其設(shè)計許用值。通過軟件計算同時還得到了所有各支墩反力，建立一個區(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度是否足夠，如果強度不夠，結(jié)合實際情況制定加強措施，并重新用有限元軟件來驗證效果，再根據(jù)計算的結(jié)果來進行優(yōu)化設(shè)計。

對于一些艏艉線型消瘦的船舶，下水時通常會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，在計算出各支墩反力后，對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際載荷不超過其最大許用載荷。

上述船舶船臺下水計算方法在我司已經(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)計算的結(jié)果來制訂有針對性的加強措施，簡化了下水工程的工作量，縮短相關(guān)工期，節(jié)約成本，經(jīng)濟性很好。

2　下水力學分析及計算結(jié)果

2.1力學分析

在下水過程中整個體系的受力分析如下：

船剛開始下滑時，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相同，此時由于艉部有相當長的一部分船體結(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，艉部的浮力大于其重力，此時艉部開始起浮，但船體及支墩均為彈性結(jié)構(gòu)，船體底部的支墩將逐個脫離滑道，如果滑道夠長，沒有出現(xiàn)艉彎，那么基本上支墩從最艉部逐個向前發(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，船底基線與船臺間的夾角不斷變大，艏部的支墩依然繼續(xù)逐個往前脫離，隨著艏部支墩數(shù)量的迅速減少，而浮力的增加相對較慢，導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度較短，雖然基線與船臺的夾角持續(xù)增大，但由于支墩系統(tǒng)及船體本身具有一定彈性，且接觸長度已經(jīng)很短，艏部支墩減少速度越來越慢，整船進入一個相對較穩(wěn)定的階段，在這一階段內(nèi)，整船所受的浮力持續(xù)增加，艏部單個支墩的最大反力將按從后往前的順序逐個出現(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，當艏部吃水達到空船吃水時，船與滑道間完全脫離接觸，進入漂浮狀態(tài)并在慣性作用下繼續(xù)滑行，最終由于水阻力而停止運動。

2.2反力計算結(jié)果

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

表1　加強前各支撐點最大反力表

可以看出SEACAL計算出的結(jié)果與力學分析的結(jié)果是一致的。由于本船下水狀態(tài)時空船首吃水約為3m，滑道與船體基線間的距離約為0.95m，因此下水時，滑道末端的水深至少要達到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號船臺建造，另一條在3號船臺建造。0潮位時，2號船臺滑道末端水深3.56m，潮高超過0.4m即可下水，但3號船臺滑道末端水深只有1.85m，潮高必須超過2.1m才能下水。考慮到動態(tài)過程中浮力延遲，最低潮位要求還需提高。但實際可預(yù)期的潮高只有2m，因此需要調(diào)整下水狀態(tài)時的艏吃水。

2.3有限元計算結(jié)果及分析

初步計算結(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，會導致整個結(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)域擴大，造成大面積的嚴重破壞。

另外，艏部FR135處橫梁的許用載荷為500t，而計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　加強方案

結(jié)合實際情況，綜合考慮后，制訂了如下加強方案：

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，當重心位置往后移時，由于艉部重量增加，導致艉浮較晚，艉浮時，艏吃水相對變大，浮力有所增加，從而使支反力變小。同時重心后移將導致全浮時船底基線與滑道間的夾角變小，艏吃水相對變小，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。但此法將導致艉部的受力狀況變得相對惡劣，因此要根據(jù)實際情況，酌情使用。

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

海洋公園是海洋特別保護區(qū)的一種類型，為保護海洋生態(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，海洋公園評價標準判斷其優(yōu)劣、取舍以及保護價值、等級。國家級海洋公園研究報道常見，如評審標準[3]、制度建設(shè)研究[4]、生態(tài)保護目標[5]等，而針對省級海洋公園尚少。本文以浙江省為例，突出和體現(xiàn)省級海洋公園特色，確保新建和晉級省級海洋公園質(zhì)量，參考國家級海洋公園[3]、自然保護區(qū)[6，7]、國家地質(zhì)公園[8]等標準體系，進行省級海洋公園評價標準指標體系研究。

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

第⑷條作為一個非常規(guī)的，正在探索、研究、考察和總結(jié)中的新方法，暫可稱之為艏墊木預(yù)離空法，本文將作重點介紹，這一方法最早提出和使用是在2010年中?？蜐L船下水時，中?？蜐L船一共4條，全部由2號船臺下水，事實證明這一方法安全有效而且經(jīng)濟性較好。

4　艏墊木預(yù)離空法

4.1理論依據(jù)

艏墊木預(yù)離空法的理論依據(jù)如下：

假設(shè)所有支撐點均勻分布且高度、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，艉浮后當艏部只剩少數(shù)幾個支撐點時忽略船體梁的總體變形對支撐點壓力分布的影響，船底的局部壓縮變形計入到支撐點的壓縮量內(nèi)。

當船艉浮以后，船與滑道間的夾角不斷變大，由于整個支撐系統(tǒng)的彈性較小，夾角增大時，艏部與滑道間的接觸長度不斷減少，能夠有效承壓的支撐點（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，導致首支點壓力巨大，而稍微往后一點的支點處壓力減少很多，壓力分布不均勻，在某一確定的時刻，接觸長度范圍內(nèi)前半部分的支撐點壓力大于平均壓力，而后半部分小于平均壓力，使得靠前的支撐點負荷很大，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，而后邊的支撐點負荷很低，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，做到各支撐點的壓縮量相同。那么就可以使得各支撐點的負荷相同，不會再出現(xiàn)首支點的壓力峰值，而是所有支撐點均攤壓力。

要使各支撐點壓縮量一致，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，A支撐點處滑道和基線間距離為L，B點為L-DL,那么設(shè)置墩木時，可將B點墩木的高度設(shè)為比A點墩木矮DL，由于DL與L相比屬于高階小量，墩木高度減少DL對B點支撐剛度的影響可以忽略不計，A點和B點剛度相同，壓縮量相同，負荷必然相同，這就達到了均勻承載的目的，如圖3所示，DL的大小等于A、B兩點間距離乘tg@（假設(shè)船底與滑道間的夾角為@），考慮多個支撐點時，方法及原理相同。

圖3　原理示意圖

4.2實際操作方法

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

高度差的施放只適合在最艏段的幾個墩木上實行，（當支撐墩木較多時，雖然他們受力不均，但受力最大的墩木實際負荷并不是很大，當墩木少到一定程度時，雖然總壓力有所下降，但能分攤壓力的墩木太少加上受力不均，出現(xiàn)個別墩木負荷很大時，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，每個支撐點的承載能力也并不一定相同，工程實際關(guān)心的是單個墩木處的峰值大小，情況非常復(fù)雜，為了達到最佳的效果，經(jīng)實船的大量計算驗證和總結(jié)，得出了較好的設(shè)計夾角選取方法，下面以本船為例進行說明。

以初步計算中艏部最危險的橫梁出現(xiàn)最大壓力時的夾角或首支點出現(xiàn)最大壓力時的夾角作為參考計算出對應(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)上按某一步長進行增減，再制訂數(shù)個方案，步長的設(shè)定根據(jù)實際情況來定，需要考慮各支撐點剛度不同的影響。

采用迭代計算的方法，按設(shè)定的數(shù)個高度差施放方案，按照不同的滑程一一計算修正，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算方法如下：

以#137作為首支點，在第五壓載艙打滿壓載水的條件下，使用SEACAL軟件重新計算尾浮后艏部重點關(guān)注位置處和滑程區(qū)間的數(shù)個支撐點在不同滑程時承受的壓力。然后對各個滑程所對應(yīng)的支撐點進行壓力修正。對于某一滑程，根據(jù)其艏部總壓力和支撐點數(shù)量和剛度和高度進行壓力重新分配，各點受壓后頂點連線與船基線重合，即斜率相同，各點的壓縮量乘其剛度為所承受的壓力，各點壓力之和與修正前相同，由此可列出方程組求解，但支撐點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值的，剔除對應(yīng)支撐重新求解，如果有壓縮量大于前端認為尚未接觸的支撐點所放的高度差，那就需要多計入一個支撐點。

一般只有艏部3-4個支撐點會承受較大壓力，且剛度相近，那么可以把某個支撐點由于放了高度差而卸載掉的載荷重新分配，此法計算工作量較少，精度也能滿足實際需要。

本船相關(guān)計算數(shù)據(jù)見表2。

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

表2　艏部支撐點壓力修正

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，但由于船臺下水而產(chǎn)生的額外成本卻相對較少，這主要由于措施制訂得當，相關(guān)工作介入及時以及新方法的使用，這一方法對于艏支點反力過大非常有效，最多可降低50%以上，其它常規(guī)方法不過10%-20%，且不附帶任何負面影響，目前已經(jīng)得到兩種型號多條船的實際驗證，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。

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

（2015-7-9）