船舶塢墩下水的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

步林鑫， 王淑穎， 張莉莉， 舒 雅

(江南造船(集團)有限責(zé)任公司，上海 201913)

0 引 言

船舶下水是船舶建造周期的一個重大節(jié)點，方式通常為重力式下水、船塢下水、氣囊下水和浮箱下水等。船塢下水通常會占用較多的船塢周期，但安全性相對較高，對船體結(jié)構(gòu)沖擊較小。

在船塢下水前，全船在船塢中進行總段合龍。在整個過程中，全船各總段包括合龍后的全船均坐在塢墩上。為控制船舶的整體變形和建造穩(wěn)定性，艉部增加托架支撐，船體兩側(cè)設(shè)置支柱支撐，全船的變形及應(yīng)力水平處于良好狀態(tài)。

在船塢下水過程中，由于在船舶出塢時，艉部托架及舷側(cè)支柱處于船舶出塢路線上，與船舶發(fā)生干涉碰撞，因此需要提前對支撐結(jié)構(gòu)進行拆除。此時，船體支撐結(jié)構(gòu)大幅減少，特別是艉部剛度較差，其下垂變形明顯增加，而較少的接觸面積和支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)致船體與塢墩接觸區(qū)域應(yīng)力增大，塢墩受力增大，整個系統(tǒng)的安全性存在一定的風(fēng)險。為此，在某船船塢下水前利用數(shù)值仿真技術(shù)，對其船塢下水過程進行模擬計算，校核其結(jié)構(gòu)強度及變形安全性，并對其下水方案進行適當(dāng)優(yōu)化。

1 船舶塢墩下水模擬

1.1 計算方法

船舶下水計算方法一般分為規(guī)范計算、一維梁簡化計算及全船三維有限元計算。

在規(guī)范計算中規(guī)定船舶坐塢時的船體總縱強度、局部強度和塢墩強度計算方法，但對于塢墩面積有限的大型船舶，難以滿足塢墩載荷和艉部內(nèi)龍骨強度校核要求，規(guī)范計算偏于保守[1]。

一維梁簡化計算將全船模擬為一維梁，根據(jù)塢墩各橫剖面的布置情況，計算得到各橫剖面塢墩合成的剛度系數(shù)，通過彈簧將船體與塢墩連接，可快速得到全船下水時的各橫剖面塢墩受力分布及全船變形情況，工作量較小，但對各剖面彈簧剛度系數(shù)合成計算精度要求較高，且無法模擬具體塢墩受力及船體局部應(yīng)力分布[2]。

全船三維有限元計算工作量較大，但通過對全船及塢墩模型的建立，可滿足船舶下水及優(yōu)化過程中的全船變形、塢墩受力和局部應(yīng)力等多方面計算需求，且單個塢墩剛度系數(shù)模擬精度較高、誤差較小。

在時間充足的前提下，計算選擇全船三維有限元計算方法。

1.2 力學(xué)模型

船舶塢墩下水模擬為準靜態(tài)計算，通過建立船舶有限元模型及模擬塢墩布置，將兩者通過彈簧連接，模擬船舶下水的某個瞬間，根據(jù)計算得到的塢墩支反力及船舶應(yīng)力分布和變形，判斷塢墩方案的可行性。

建立全船有限元模型，通過幾何模型確認塢墩布置[3]，以便在模擬塢墩時位置準確。塢墩布置如圖1所示。塢墩全部為水泥墩，根據(jù)公司相關(guān)部門提供的數(shù)據(jù)，其最大承載力不超過200.0 t。利用彈簧單元模擬塢墩與船體之間的軟硬木，通過多點約束(Multi-Point Constraint，MPC)剛性單元連接船體及彈簧。MPC剛性單元(局部)如圖2所示。認為水泥墩在其支反力不超過衡準的前提下，變形忽略不計，因此在模擬時，將彈簧底部節(jié)點剛性約束即可。為得到較為精確的計算結(jié)果，對船體與塢墩接觸的區(qū)域進行網(wǎng)格細化與優(yōu)化，盡可能保證四邊形網(wǎng)格，細網(wǎng)格尺寸為100×100。船體與塢墩接觸區(qū)域細化如圖3所示。

圖1 塢墩布置

圖2 MPC剛性單元(局部)

圖3 船體與塢墩接觸區(qū)域細化

2 工程應(yīng)用分析

2.1 船體結(jié)構(gòu)變形

船體變形通過其自重產(chǎn)生，變形分布受船體質(zhì)量分布、船體剛度及塢墩布置的影響。艏部和艉部通常質(zhì)量較大且剛度較差。由于線型收窄，在艏部和艉部布置的塢墩數(shù)量有限，因此可提供的支撐有限。船體有限元模型通過MPC剛性單元與彈簧上部連接，彈簧底部則認為是變形可忽略的水泥墩，因此剛性約束。彈簧剛度系數(shù)由塢墩上方的軟硬木組合決定，MPC剛性單元在受壓過程中不會變形，因此其尺寸大小不影響計算結(jié)果。彈簧剛度系數(shù)輸入正確即可，其尺寸大小不影響計算結(jié)果。軟硬木參數(shù)如表1所示。根據(jù)軟硬木的剛度系數(shù)，通過如下公式，求得軟硬木組合的合成剛度系數(shù)[4]：

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：K為材料剛度系數(shù)；E為材料彈性模量；A為接觸面積；K軟為軟木剛度系數(shù)；K硬為硬木剛度系數(shù)；K總為軟硬木組合剛度系數(shù)。

表1 軟硬木參數(shù)

塢墩與軟硬木的組合及其有限元單元的模擬如圖4所示。

圖4 墩木組合及其有限元模型

船體與支撐系統(tǒng)建模并連接完成，對整個系統(tǒng)施加重力，使全船在重力作用及塢墩支撐下自然變形。全船變形趨勢符合塢墩支撐情況：艏部和艉部質(zhì)量大、支撐少，變形比較明顯；中部支撐較多，變形較小。艉部存在舵、軸和槳等結(jié)構(gòu)，為避免船舶出塢時的干涉，艉部支撐較少，下垂變形值最大，接近50 mm。艏部變形接近8 mm。通過增加少量支撐可緩解艏部變形。根據(jù)規(guī)范，艉部變形量小于全船總長的1/600，且通過與總體、工藝、相關(guān)專業(yè)及現(xiàn)場部門的溝通，認為50 mm變形量可接受。因此在當(dāng)前工況條件下，艉部應(yīng)力分布及塢墩支反力未著重考察。艉部下垂變形如圖5所示。

圖5 艉部下垂變形

2.2 塢墩支反力

影響塢墩支反力的主要因素包括船舶的質(zhì)量分布情況、某橫剖面的塢墩數(shù)量及塢墩與船體之間軟硬木的剛度系數(shù)。通過對船舶質(zhì)量分布及軟硬木剛度系數(shù)的準確模擬，可得到塢墩支反力的分布情況，如圖6所示。由圖6可知：出現(xiàn)部分突變點，其塢墩支反力較大。主要原因在于：突變點肋位的塢墩布置為多排墩，包括橫向三排墩、橫向五排墩、橫向七排墩及橫向九排墩，各墩受力總和較大[5]。將所有塢墩支反力求和，等于船舶自重，因此認為船舶下水模擬方法正確，結(jié)果較為合理。

圖6 塢墩支反力分布情況

艉部線形收窄，基本為單排墩，部分塢墩支反力>200.0 t，超過塢墩承受極限，在下水過程中較易導(dǎo)致水泥塢墩碎裂，失去支撐作用，使周邊塢墩受力突變，出現(xiàn)連鎖破壞現(xiàn)象。因此需要通過方案調(diào)整，緩解塢墩支反力，使其下降至衡準以下，保證水泥墩安全。塢墩支反力(部分)如表2所示。

表2 塢墩支反力(部分)

2.3 船體結(jié)構(gòu)強度

由船舶應(yīng)力分布情況分析可知：船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力超衡準的區(qū)域主要集中于后半船至艉部區(qū)域，符合塢墩布置及支反力分布規(guī)律。艉部應(yīng)力分布情況如圖7所示。最大應(yīng)力為511.3 MPa，出現(xiàn)在某橫向強框的塢墩邊緣與船體結(jié)構(gòu)接觸位置的肋板上。該點出現(xiàn)最大應(yīng)力的原因在于：該點處于塢墩邊緣，與船體結(jié)構(gòu)剪切，形成硬點。

圖7 艉部應(yīng)力分布情況

根據(jù)材料衡準，篩選艉部應(yīng)力超衡準位置，多集中于中縱及外板與底板拐點處，如圖8所示。除典型的塢墩與船體的接觸硬點外，船體結(jié)構(gòu)中部出現(xiàn)部分應(yīng)力較大的點，原因則為結(jié)構(gòu)強度較差。

圖8 艉部應(yīng)力超衡準位置

由初步計算結(jié)果分析可知：在原始塢墩布置方案中，由于塢墩數(shù)量布置有限，而艉部自重較大，且艉部底部船體線型收窄，因此出現(xiàn)局部區(qū)域塢墩支反力及結(jié)構(gòu)應(yīng)力均超衡準的情況。結(jié)構(gòu)應(yīng)力超衡準的位置主要集中于塢墩與船體接觸的邊緣，是較為典型的硬點，如圖9所示。應(yīng)考慮優(yōu)化塢墩布置，其余結(jié)構(gòu)強度不足導(dǎo)致應(yīng)力過大的情況，則考慮對結(jié)構(gòu)進行加強。

圖9 結(jié)構(gòu)硬點

3 方案優(yōu)化

基于上述情況，對船體結(jié)構(gòu)及塢墩布置方案進行優(yōu)化。優(yōu)化方向為增強結(jié)構(gòu)強度、分攤塢墩支反力及消除硬點。方案優(yōu)化如下：

(1)艉部區(qū)域半檔位置新增橫向T排，增強結(jié)構(gòu)強度，如圖10所示。通過增加橫向T排，將局部區(qū)域形成密集框架，增加該區(qū)域的剛度和強度。

(2)新增塢墩數(shù)量，分攤單個塢墩支反力，如圖11所示。由于僅考慮水泥墩的支反力衡準，因此在局部范圍內(nèi)增加水泥墩數(shù)量。在船體質(zhì)量分布固定的情況下，局部區(qū)域質(zhì)量有效分攤至各水泥墩，保證水泥墩支反力在其衡準內(nèi)[6]。

(3)塢墩上方增加軟硬木組合數(shù)量，擴大塢墩與船體接觸面積，消除硬點，如圖12所示。通過滿鋪軟硬木組合的方式，使船體結(jié)構(gòu)與木塊充分接觸，硬點轉(zhuǎn)移至木塊，而木塊在下水過程中變形或破損可接受。

圖12 增大塢墩與船體接觸面積

通過結(jié)構(gòu)加強，增強結(jié)構(gòu)強度剛度；通過塢墩布置優(yōu)化，消除硬點。艉部應(yīng)力分布情況明顯得到改善，最大應(yīng)力為334.0 MPa，小于材料衡準。由于船舶質(zhì)量分布未變，分攤至某肋位的質(zhì)量未變，因此通過增加塢墩數(shù)量，可有效分攤單個塢墩支反力，保證塢墩支反力小于衡準。

4 結(jié) 語

通過全船有限元分析，可有效預(yù)報船舶塢墩下水的全船變形趨勢、船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況及各塢墩支反力。根據(jù)數(shù)據(jù)分析及與衡準對比，可預(yù)判塢墩布置方案的問題及船體結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，有針對性地對局部區(qū)域進行加強和方案調(diào)整，提高船舶下水過程的可靠性。

通過對塢墩和軟硬木塊的合理模擬，可有效預(yù)報船舶下水過程中的各項數(shù)據(jù)，并在方案設(shè)計階段即可對方案進行優(yōu)化布置，減小后期的風(fēng)險和人力與資源的投入，不僅可保證船舶安全下水，而且可節(jié)約一定的經(jīng)濟成本。