16 000 t 舉力下水工作船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

莊科挺，王 波，趙家蛟

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

0 引 言

下水工作船是適用于船廠或港區(qū)水域內(nèi)，專用于建造中的船舶或海上設(shè)施從岸上平移下水作業(yè)的船舶。16 000 t 下水工作船是按平地建造船舶的需要而設(shè)計(jì)的、專門用于新建船舶下水的浮船塢。這種作業(yè)方式是把新建船舶擱置在牽引小車上，通過(guò)軌道把船舶牽引至下水工作船，然后將船舶運(yùn)到下水區(qū)域后下沉，使新建船舶完成下水作業(yè)[1]。

本船為鋼質(zhì)非自航整體式浮船塢，由連續(xù)的底部浮箱和2 道連續(xù)的塢墻組成且不可分離，浮箱甲板上布置2 條縱向裝船軌道。最大裝船船作業(yè)重量16 000 t，最大舉升作業(yè)重量22 000 t，船體典型橫剖面如圖1 所示。

1 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常規(guī)的無(wú)動(dòng)力下水工作船的結(jié)構(gòu)形式主要有駁型和塢型2 種。駁型下水工作船通常由浮箱和浮箱甲板上的塔樓組成，作業(yè)時(shí)可根據(jù)下水船舶或海工結(jié)構(gòu)物的需求選擇縱向裝船或橫向裝船。塢型下水工作船通常由浮箱甲板和2 道連續(xù)的塢墻組成，裝船方式一般為縱向裝船。

圖1 典型中橫剖面圖Fig.1 Typical midship section

在本船方案設(shè)計(jì)階段，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、艙室及錨系泊布置、下潛穩(wěn)性和下水產(chǎn)品種類4 個(gè)方面，對(duì)駁型和塢型下水工作船進(jìn)行對(duì)比分析。

1.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

總縱強(qiáng)度方面，駁型下水工作船的塔樓不參與總縱強(qiáng)度，因此整個(gè)船體的剖面模數(shù)由浮箱結(jié)構(gòu)提供。典型的駁型下水工作船的中橫剖面如圖2 所示。

圖2 駁型船體結(jié)構(gòu)典型橫剖面圖Fig.2 Typical midship section of barge hull

塢型下水工作船的船體剖面模數(shù)由浮箱結(jié)構(gòu)和塢墻結(jié)構(gòu)提供，塢墻結(jié)構(gòu)因較高的型深，對(duì)船體剖面模數(shù)貢獻(xiàn)大。通過(guò)對(duì)2 種船體結(jié)構(gòu)對(duì)比，滿足相同船體總縱強(qiáng)度要求下，塢型船體結(jié)構(gòu)的鋼料重量相比駁型船體結(jié)構(gòu)減少約10%。

局部強(qiáng)度和橫向強(qiáng)度方面，駁型和塢型船體結(jié)構(gòu)基本一致。

1.2 艙室及錨系泊布置

通常下水工作船上需要布置主發(fā)電機(jī)室、應(yīng)急發(fā)電機(jī)室、燃油艙、配電板間、中央控制室、會(huì)議室、儲(chǔ)藏室、休息室等，若有人員住宿的要求還需增加更多相關(guān)的配套艙室。下水工作船因浮箱甲板軌道布置和墩木布置的要求，錨系泊通常布置在塔樓或者塢墻的頂甲板上。

駁型下水工作船因浮箱甲板上的塔樓較小，往往給艙室布置和錨系泊的布置帶來(lái)較大困難。塢型下水工作船浮箱甲板上兩道首尾連續(xù)的塢墻，塢墻上可布置艙室的空間大，且頂甲板上有富裕的面積布置錨系泊設(shè)備。

1.3 下潛穩(wěn)性

下水工作船因特殊作業(yè)要求，對(duì)船體穩(wěn)性提出較高要求。在下潛過(guò)程中，靜水力曲線在浮箱甲板入水處明顯間斷，此時(shí)船體儲(chǔ)備浮力小，船體初穩(wěn)性差。同時(shí)船體內(nèi)設(shè)有數(shù)量多，容量大的壓載水艙，在調(diào)載過(guò)程中必然有一部分壓載水艙的水未滿，存在大量的自由液面[2]。

塢型下水工作船在浮箱甲板入水后，浮箱甲板兩側(cè)連續(xù)的塢墻能提供較大的儲(chǔ)備浮力和回復(fù)力矩，船體穩(wěn)性好；駁型下水工作船因浮箱甲板上的塔樓提供的儲(chǔ)備浮力和回復(fù)力矩小，往往需要在浮箱甲板上增設(shè)小型輔助浮箱才能滿足船體穩(wěn)性要求。

1.4 下水產(chǎn)品種類

駁型下水工作船作業(yè)時(shí)根據(jù)下水船舶或海工結(jié)構(gòu)物的需求，可提供縱向和橫向裝船2 種方式，尤其是能夠滿足超寬海工產(chǎn)品的橫向裝船需求；塢型下水工作船因浮箱甲板上塢墻的限制，僅能提供縱向裝船一種方式，下水產(chǎn)品相對(duì)單一。

通過(guò)對(duì)比研究表明，下水工作船采用塢型船體結(jié)構(gòu)形式在船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，艙室及錨系泊布置和下潛穩(wěn)性其方面具有較明顯的優(yōu)勢(shì)，而駁型船體結(jié)構(gòu)能夠適用更多的下水產(chǎn)品。

16 000 t 舉力水工作船綜合考慮使用需求和投資建造的經(jīng)濟(jì)性，采用塢型船體結(jié)構(gòu)更為合理。

2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

大型船舶的縱向裝船下水是一個(gè)事故因數(shù)較多的復(fù)雜工藝過(guò)程，為確保船體結(jié)構(gòu)安全，需在船舶縱向裝船過(guò)程中不斷調(diào)節(jié)各個(gè)壓載水艙的壓載水量來(lái)減小船體縱向彎矩[3]。通常規(guī)范計(jì)算能考察整個(gè)船體梁的強(qiáng)度水平，但對(duì)于多種載荷作用下船體結(jié)構(gòu)的局部高應(yīng)力區(qū)域無(wú)法清晰地把握[4]。本文以某新建8.2 萬(wàn)噸級(jí)散貨船的縱向裝船作業(yè)和舉升作業(yè)為例，對(duì)本下水工作船建立全船有限元模型，進(jìn)行計(jì)算和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

2.1 有限元模型建立

應(yīng)用MSC/Patran 軟件建立下水工作船全船有限元模型，模型包含全船浮箱結(jié)構(gòu)和塢墻結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。模型采用右手坐標(biāo)系，原點(diǎn)為船舶尾垂線與基線的交點(diǎn)，x 軸沿縱向船首方向?yàn)檎粂 軸沿水平方向向左為正；z 軸為垂向由原點(diǎn)向上為正。根據(jù)相關(guān)船級(jí)社建模要求，模型主要構(gòu)件采用板單元、梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬。有限元網(wǎng)格按照肋骨間距或骨材間距進(jìn)行劃分。

圖3 全船有限元模型Fig.3 Global FEM model

2.2 邊界條件選取

計(jì)算中邊界條件如圖4 所示。

1）中縱剖面，首部船底A 點(diǎn)，Dx=Dy=Dz=0；

2）中縱剖面，首部甲板B 點(diǎn)，Dy=0；

3）中縱剖面，尾部船底C 點(diǎn)，Dy=Dz=0。

2.3 計(jì)算載荷

圖4 有限元模型邊界條件Fig.4 Boundary conditions of model

計(jì)算載荷和工況的確定方法參考中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2018》的相關(guān)內(nèi)容[5]。在進(jìn)行船體強(qiáng)度校核時(shí)要施加的設(shè)計(jì)載荷包括：

1）空船重量。將下水工作船全船有限元模型分為8 個(gè)分段，調(diào)整每個(gè)分段結(jié)構(gòu)的密度，以模擬下水工作船的空船重量分布。

2）外部水壓力和壓載艙水壓力。外部水壓力，即浮力，以面載荷的形式加載在下水工作船的外殼上；壓載水艙中的水壓力以面載荷的形式加載在下水工作船的船底板上。

3）被載船重量。被載船為8.2 萬(wàn)噸級(jí)散貨船，最大縱向裝船作業(yè)重量為16 000 t，沉浮作業(yè)前被載船需要打壓載水并調(diào)整浮態(tài)，此時(shí)最大沉浮作業(yè)重量達(dá)到22 000 t。

被載船各分段重量見(jiàn)表1，各分段劃分如圖5 所示。

表1 被載船各分段重量（噸）Tab.1 Weight distribution of launching ship（t）

圖5 被載船各分段范圍示意圖Fig.5 Blocks distribution of launching ship

4）下水工裝件重量。裝船作業(yè)和舉升作業(yè)中，下水工裝件主要有墩木，小車，A 型擱架，下水橫梁。

裝船作業(yè)中，被載船由小車牽引至下水工作船中，小車具有調(diào)載功能，每段重量以均布線載荷的形式作用于該范圍內(nèi)小車輪子下的軌道處。

舉升作業(yè)中，小車撤除，由A 型擱架和下水橫梁支撐被載物，被載船尾部分段1 和分段2 重量以均布面載荷的形式作用于下水橫梁處的支撐結(jié)構(gòu)，被載船其他分段重量以均布線載荷的形式作用于A 型擱架下的支撐結(jié)構(gòu)。

主要下水工裝件的平面布置見(jiàn)圖6，下水橫梁的橫向布置見(jiàn)圖7，A 型擱架和小車的橫向布置見(jiàn)圖8。

圖6 下水工裝件平面布置示意圖Fig.6 Plan arrangement of launching tools

圖7 下水橫梁布置示意圖Fig.7 Arrangement of launching web beam

圖8 移船小車和A 型擱架布置示意圖Fig.8 Arrangement of trolley & A support

各下水工裝件的重量如下：

墩木每個(gè)重4 t，全船41 個(gè)，共164 t。載荷作用于浮箱甲板上墩木擺放處。

小車每組重10 t，全船34 組，共340 t。裝船作業(yè)中承載被載船，載荷作用于小車軌道處。

A 型擱架每個(gè)10.5 t，全船22 個(gè)，共231 t。擱架隨小車一起裝載上船，小車撤走后由擱架承載被載船重量。

下水橫梁每根30 t，全船12 根，共360 t。被載船尾部由于線型原因，小車撤走后，被載船尾部分段1 和分段2 重量由下水橫梁承載。

2.4 計(jì)算工況

裝船作業(yè)中本船裝船方向是縱向從下水工作船尾部裝船。通過(guò)軌道小車按船長(zhǎng)1/8，2/8，3/8，4/8，5/8，6/8，7/8，8/8 的步驟裝船。

沉浮作業(yè)中選取下水工作船準(zhǔn)備下潛吃水6 m 的典型工況和吃水位置至A 型擱架頂時(shí)的工況。各計(jì)算工況詳細(xì)信息見(jiàn)表2。

表2 裝船作業(yè)和沉浮作業(yè)工況一覽表Tab.2 Loadcases of loading condition and lifting condition

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)全船結(jié)構(gòu)的有限元分析，得到船體在各個(gè)使用工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，整體變形情況，并發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力較高的部位。

縱向裝船作業(yè)中，船體結(jié)構(gòu)的變形為中拱狀態(tài)，船體高應(yīng)力主要集中在頂甲板梯道開(kāi)孔處，和裝船軌道下船體支撐結(jié)構(gòu)處的橫艙壁上。

沉浮作業(yè)中，船體結(jié)構(gòu)的變形為中垂?fàn)顟B(tài)，船體高應(yīng)力主要集中在下水橫梁下的船體支撐結(jié)構(gòu)。

下水工作船在作業(yè)過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)整壓載水艙內(nèi)的壓載水量減小船體靜水彎矩，但總縱強(qiáng)度依然是首要的強(qiáng)度問(wèn)題，在設(shè)計(jì)階段要特別考慮頂甲板梯道開(kāi)孔處的高應(yīng)力區(qū)域。在局部強(qiáng)度方面，因裝船小車非常大的輪壓載荷，需詳細(xì)計(jì)算軌道下的船體支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)需注意與支撐結(jié)構(gòu)相連的橫艙壁的強(qiáng)度。沉浮作業(yè)前，被載船首部通常需要打大量壓載水來(lái)調(diào)整船體浮態(tài)，此時(shí)被載船首部分段重量大且線型變化大，需額外注意此處船體支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問(wèn)題。

圖9 裝船作業(yè)有限元變形云圖Fig.9 Displacement of loading condition

圖10 裝船作業(yè)橫艙壁應(yīng)力云圖Fig.10 Stress distribution of loading condition

圖11 沉浮作業(yè)有限元變形云圖Fig.11 Displacement of lifting condition

圖12 沉浮作業(yè)下水橫梁下結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.12 Stress distribution of lifting condition

3 結(jié) 語(yǔ)

在下水工作船設(shè)計(jì)前期，可根據(jù)下水產(chǎn)品的特點(diǎn)和船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性選擇駁型或塢型船體結(jié)構(gòu)形式。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，可以采用全船有限元方法對(duì)整個(gè)裝船作業(yè)和沉浮作業(yè)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件規(guī)格和材料級(jí)別的選取具有決定性的意義。