基于Excel－VBA的大型船舶縱向下水計算通用程序設計

張 光 發， 劉 玉 君， 紀 卓 尚

（1.大連海洋大學 海洋工程學院，遼寧 大連 116023；2.大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116024）

0 引 言

目前，船舶尤其是萬噸級大型船舶，其下水過程是一個事故因素較多的工藝過程，為了確保船舶下水時的安全，除了必要的可靠設備和豐富的實踐經驗外，還必須進行詳細周密的理論計算.對于一般的船舶，利用靜力學方法計算預測船舶下水過程中的整體受力情況，不涉及局部受力分析.但對于大型船舶，由于下水重量增加和下水過程中瞬時受力變化復雜及受環境條件的影響，有可能因局部強度不足而造成構件失穩或破壞，需要對船舶下水的局部強度進行計算與分析.船舶縱向滑道下水的計算目的是分析下水過程中船舶的運動狀態以及可能出現的各種現象（如船尾下落或船首下落），研究下水的安全性和需要采取的安全措施，保證船舶安全下水[1].

長期以來，國內外的船舶技術及研究人員從靜力學和動力學方面，用各種方法對船舶下水計算進行了研究.近年來，隨著船舶向大型化方向發展，許多學者和專家利用各種特殊的方法（如有限元法）對大型船舶（如汽車滾裝船）的下水進行了研究和計算，極大地推動了船舶縱向下水研究的發展.吳祥虎等提出了船舶縱向下水配載優化數學模型，并開發了基于Matlab的船舶縱向下水配載優化程序[2].李磊鑫等利用動力學方法對4 300輛汽車滾裝船帶浮筒下水過程進行了計算和分析[3].郝金鳳等對大型船舶船臺下水時艏部所受墩木支反力的分布形式及其對結構的影響進行了計算分析[4].王文華等采用計算流體動力學（CFD）方法對船體從船臺上縱向重力式下水過程進行動力學分析，為船體下水計算提供了水動力參數[5].國內還有一些學者，如胡日強[6]，對船舶下水的底部局部強度通過有限元法，借助如ANSYS等結構分析程序進行計算與分析.

這些方法，有的計算復雜，需要基于特殊的平臺編制特殊的程序和軟件；有的輸入數據和信息比較繁瑣，影響了其實用性；有的是針對特殊的船舶和船型進行計算和分析，通用性不強.本文利用船舶下水的彈性計算方法，考慮船舶下水過程中的局部受力情況，基于Excel－VBA設計和編制適合于大型船舶下水計算通用程序，并以大連某船廠設計生產的5 000輛汽車滾裝船為實例，對其下水進行計算和分析，以驗證程序的通用性和實用性.

1 基本理論和計算內容

1.1 下水基本方法及過程

為了保證船舶順利下水，必須具有相應的下水設施和工藝措施.國內外常用的一種下水方法是縱向涂油滑道下水，如圖1所示.船舶下水時，利用船臺和滑道合一的下水設施，首先將龍骨墩、邊墩和支撐全部拆除，使船舶重量移到滑板和滑道上，再松開止滑裝置，船舶便和支架、滑板等一起沿著滑道滑入水中，同時依靠船舶自身浮力漂浮在水面上.此外，為了減小滑板在滑道上的滑行摩擦阻力，在它們之間涂上一定厚度的下水油脂，故稱為縱向涂油滑道下水.這種方法適用于不同重量和船型的船舶下水，并且具有設備簡單、建造費用少和維護管理方便等優點.

圖1 船舶縱向涂油滑道下水示意圖Fig.1 Illustration of ship launching with fore－andaft lubricated sideways

滑道的數目通常為2根，其間距約為船寬的1/3.滑道坡度β根據船舶的大小而定，大體范圍是：小型船舶（100m 以下）取1/12～1/15；中型船舶（100～200m）取1/15～1/20；大型船舶（200 m以上）取1/20～1/24.船上應安裝下水架.下水架的長度通常約為船長的80%.兩端的下水架強度比較高，分別稱為前支架和后支架.取消前支架可改善船尾上浮時的受力分布.下水架的底板稱為滑板，其與滑道的接觸面之間敷潤滑油脂，以利滾動.船舶在船臺上的布置通常是船尾先入水.船的龍骨坡度α通常為1/100～1/200.

為了便于分析船舶運動情況和作用力的變化，通常將下水過程劃分為4個階段[1]，具體見表1.

表1 船舶下水過程的4個階段Tab.1 The four phases of ship launching

1.2 計算原理

以往實踐表明，大型重載船舶的下水過程中，有可能出現結構受力過大造成結構強度不足而導致船體外板和結構變形.因此，對大型重載船舶進行下水計算及其安全性研究時，需要考慮船體局部結構強度問題，計算船體在下水過程中的局部受力，校核船體局部結構強度能否滿足下水要求.

目前，常規的下水計算將船體和船臺（包括滑道和墩木）處理為剛性體，以重力矩與浮力矩作為判斷船體起浮的依據，一旦浮力對艏支點的力矩超過重力矩，船體尾部即與船臺脫離，全部反力集中到艏支點處，或按經驗方法將反力分布到艏部（如1/10船長處）來評估下水安全性.上述方法顯然比較粗略，難以適應現代船舶尤其是大型船舶建造質量和對安全控制的高標準要求.

船舶下水的彈性計算方法是將船體沿船長模型化為變斷面梁，并將船體自首至尾按肋距劃分為一系列梁單元，即將船體梁劃分為多個節點和分段的有限元連續梁，每一梁單元的截面特性按所在位置的船體橫截面計算決定，船體下水的墩木和船臺等彈性支持模型化為各個獨立的線性彈簧，按支墩的實際布置位置設置在梁單元節點的下方，每個支墩彈簧的剛度按1/K＝ ∑（1/Ki）算出.其中，Ki為船底結構、墩木、滑板和滑道地基等的剛度系數.

船舶下水時，在觸水之前，所有重力均由支架墩木支撐.船舶下水過程中當某一墩木滑出船臺末端，即不再起支撐作用，船舶所受的浮力則不斷增大，直至尾浮壓力集中于艏支架.

下水計算從船體滑行的一系列位置進行，直至船體全浮，在每一個滑行位置處，以每一個肋距作為船體切片，根據邦戎曲線計算其獲得的浮力，同時根據船體的重量分布將船體重力施加到梁單元上，用有限元法計算可得出彈性支座上的船體梁在各力作用下每個節點的位移，也即彈簧沉降，從而可得彈簧反力（即支墩反力），并可計算船體梁在每個截面處的彎矩和剪力，以進行總縱強度校核.

1.3 下水計算內容

本程序為有限元結構計算的前端程序，主要計算及處理內容如下：

（1）船舶下水常規計算.即計算下水過程中各個階段的船舶狀態、船舶浮力、浮力和下水重量對滑道末端和下水架前支點的力矩、滑道平均壓力及其力矩，繪制各計算參數的曲線圖（船舶下水曲線圖），根據曲線圖及其工況，分析船舶安全性（是否會發生船尾下落、船首下落、滑道壓力對船底的破壞等不安全現象）.

（2）下水過程中的船體局部受力計算，主要包括：滑道壓力分布、船體梁總縱彎矩分布.

2 基于Excel－VBA的程序設計

Excel是微軟公司的Microsoft Office系列軟件中的一個重要軟件，其功能強大，應用廣泛，已經成為全球普遍采用的辦公應用軟件之一.在工程計算中，不僅可以利用Excel進行各種數據處理和簡單計算（例如類似數據庫的數據記錄和查詢等處理、數據庫鏈接、圖表繪制、整理和分析數據、基本數據統計和計算、中性文件暫存和數據傳遞、內置函數等），還可以利用Excel的強大功能，以Excel為基礎平臺，利用VBA開發語言開發簡潔實用的計算程序以處理復雜問題.

VBA（Visual Basic for Application）是建立在可視化編程語言Visual Basic（VB）之上的一種嵌入式編程語言，它在普通Visual Basic語言的基礎上，增加了對相應軟件不同對象的控制功能，包括對Excel工作簿、工作表、區域、數據透視表等對象的控制功能，這樣，就可以方便地對Excel進行控制，全面提高軟件工作的自動化水平，并為之增加相應的功能[7].VBA提供了一組基于VB開發系統的高級編程工具，開發者能夠使用它們來利用被包裝的應用程序.從Office 97開始，微軟將VBA作為統一的應用程序自動化語言引入到所有Office的組件中，并提供了VBA的IDE環境，直接將VBA改進為一個完整的開發工具.

大多數工程計算軟件（如圖形軟件、應用于船舶方向的性能計算軟件、結構強度校核軟件等）都能輸入或輸出Excel格式的文件，以利于與其他軟件進行交互.和一般的軟件相比，大多數工程計算軟件的交互界面都比較簡單，主要是數據的輸入和輸出，重要的是后臺的數據處理，以及與其他軟件的數據交互.因此，工程計算軟件最適合于以Excel軟件為基礎，利用VBA進行開發，這樣可以節省大量開發時間，同時，程序還具有很好的通用性.這樣開發出來的程序，前端利用Excel進行用戶交互，后端接收數據后，進行數據處理，然后再利用Excel輸出數據.前端輸入的數據可以很方便地從其他軟件輸出的數據獲取，而其輸出的數據也可以很方便地為其他軟件所利用.

3 下水計算程序設計

3.1 程序結構

基于Excel，針對上述船舶下水計算方法和內容，利用VBA設計和編制了適合于大型船舶下水分析計算的通用程序.根據其功能要求以及船舶下水的過程，下水計算程序主要劃分為如下6個模塊.

（1）InputData模塊：處理下水計算數據的輸入，包括下水基本數據、船舶下水重量分布、邦戎曲線數據等.

（2）Launch模塊：處理下水計算總體控制.給定步長，計算船舶狀態，計算船舶受力，保存數據，在時域內進行循環，直至船舶下水后呈自由浮態.

（3）ShipStatus模塊：計算船舶的下水狀態，如尾垂線距船臺末端距離、船首尾吃水等.

（4）ForceCalculator模塊：計算船舶所受的各種作用力（如船舶浮力、船舶滑道末端和下水架前支點的力矩、滑道平均壓力及其力矩等）、下水過程中的船體局部受力以及船體梁總縱彎矩分布等.

（5）SecurityAnalyzer模塊：處理船舶安全性分析，包括船尾下落分析、船首下落分析，以及船舶總體強度分析.

（6）OutputData模塊：處理數據輸出.

程序的結構及其主要流程如圖2所示，圖中步驟及處理函數見表2.

3.2 數據輸入和輸出

程序的數據輸入由InputData模塊處理，主要的輸入數據有：

（1）船舶下水基本數據，包括計算要素及船舶主尺度、船臺數據、下水設施及環境數據.

（2）船舶下水重量分布數據，即輸入船舶各肋位處的重量數據.數據從Excel界面手工輸入，也可以從CAD圖中導出Excel文件，然后導入至下水計算程序.

（3）船舶邦戎曲線數據，即船舶每站在不同水線處的橫剖面積及其靜矩數據，其為船舶性能計算的輸出數據，程序可直接利用.

表2 程序流程說明Tab.2 Description of program process

表3 船舶下水計算基本輸入數據Tab.3 Basic input data for ship launchingcalculation

數據按照規定的格式，輸入至Excel表格.如表3所示，表中所列數據為大連某船廠設計的5 000輛汽車滾裝船的設計數據以及實際下水設施的數據，將其作為實際算例的基本輸入數據.

圖2 下水計算程序流程圖Fig.2 Sequence diagram of calculation for ship launching

下水計算程序運行結束后，輸出的主要數據有：

（1）下水過程中各個階段的船舶狀態、船舶浮力、浮力和下水重量對滑道末端和下水架前支點的力矩、滑道平均壓力及其力矩.

（2）船舶安全性分析結果，如是否會發生仰傾（即船尾下落）、首跌落現象.

（3）下水過程中的船體局部受力，包括滑道壓力分布數據、船體梁總縱彎矩分布數據.

圖3 船舶下水質量分布圖Fig.3 Mass distribution chart of ship launching

4 算 例

4.1 算例及其分析

利用本文程序，對大連某船廠設計的5 000輛汽車滾裝船進行了下水計算和分析.該船舶的下水基本數據如表3所示，輸入船舶下水質量分布數據（圖3為根據數據繪制的下水質量（m）分布圖）和船舶邦戎曲線數據后，進行下水模擬計算，運行該下水計算通用程序后，輸出尾浮、全浮數據和船舶安全性分析結果（如表4～7所示）、滑道壓力（F）分布和船體梁總縱彎矩（M）分布等數據（圖4、5）.

圖4 船舶下水過程中墩木壓力分布圖Fig.4 Stress distribution chart of bracket frustum during ship launching

圖5 船舶下水過程中船體梁總縱彎矩分布圖Fig.5 Total longitudinal bending－moment distribution chart of ship body beam during launching

表4 船舶下水尾浮和全浮計算數據（部分）Tab.4 Calculation result data of launching ship during stern floating and whole floating（partial）

表5 船舶下水計算總結表Tab.5 Integrated calculation data of ship launching

表6 下水過程中各個階段的船舶狀態數據Tab.6 Ship status of different phases during launching

表7 下水過程中各狀態的浮力分布數據（部分）Tab.7 Float distributing data during launching（partial）

計算時，將下水過程自靜止至尾浮過程分為8個狀態，如表6所示.表7給出了各狀態的浮力值，表5為尾浮和全浮計算及安全性總結.在程序中，利用有限元法，分別計算了各階段的墩木壓力以及船體梁的總縱彎矩分布，利用輸出的壓力數據，繪制各狀態的船體梁下水過程墩木壓力分布圖（如圖4所示）；利用總縱彎矩分布數據，繪制各狀態的船體梁的總縱彎矩分布圖（如圖5所示）.

通過分析表5、圖5中的數據，可得出如下結論：

（1）下水過程中，可能產生首跌落現象.

（2）全浮行程將近289m，需要準備合適的下水碼頭區域，或者減小下水重量，以減小全浮行程.

（3）尾浮時，因首支架反力過大，應保證首支架與船體外板具有足夠的接觸面積使船體結構強度滿足要求.

（4）下水過程中，最大彎矩為1.90×109N·m，在119肋位附近，其剖面慣性矩約為420m4，應力水平小于許用應力，船體總縱強度滿足許用應力要求.

4.2 與傳統方法計算結果對比

為了驗證程序計算的結果，作者按照傳統的方法將下水船舶簡化為剛性梁，利用Excel表格，手工對該船的下水進行了計算，并與文中程序計算的結果進行了比較，主要數據見表8.

表8 計算結果比較Tab.8 Comparison of calculation results

通過比較可看出，基于剛性梁方法手工計算的尾浮行程比本文程序計算得到的結果延遲了1.65m，差距的原因主要是對于尾浮的判據不一致，前者的判據為重力矩與浮力矩相等，而后者的判據為尾部支墩脫離船底，前者達到尾浮要比后者需要更大的浮力，于是尾浮對應的行程更大；尾浮時的首支架壓力有比較大的相對誤差也是尾浮判據不一致而導致.其他方面也基本一致.總的來說，兩種計算方法在預報是否發生仰傾、首跌落、尾浮行程及全浮行程等幾個下水特征量方面基本一致.

5 結 語

本文利用船舶下水的彈性計算方法計算船體在下水過程中的局部受力，校核船體局部結構強度能否滿足下水要求.以Excel軟件為基礎，利用VBA開發和編制適合于大型船舶下水計算的通用程序，可以節省大量開發時間，同時，程序還具有很好的通用性.該通用程序除具有常規的船舶下水分析功能（下水狀態和受力分析、下水總縱強度分析）外，還具有如下功能和優勢：

（1）本文計算方法及程序能輸出墩木反力及其分布以及為下水安全性分析等方面提供更多的信息.

（2）可以將下水過程中的船體局部受力數據輸出后，再導入至強度分析軟件（如ANSYS）進行船體局部強度分析.

（3）利用該程序的輸出數據，結合其他數據和船體下水結構（如船舶底縱骨和肋板結構、墩木的布置等），可對下水過程進行其他方面的分析，如船舶下水過程中內底縱骨應力情況、船體底部局部強度等.

實例計算表明，該通用程序在大型船舶下水分析方面具有較強的通用性和實用性，同時在與其他軟件進行數據交互方面，也具有很強的通用性，前端輸入的數據可以很方便地從其他軟件輸出的數據獲取，而其輸出的數據也可以很方便地為其他軟件所利用.

[1] 盛振邦，劉應中.船舶原理[M].上海：上海交通大學出版社，2003

[2] 吳祥虎，程遠勝，劉 均.船舶縱向下水配載優化研究[J].中國艦船研究，2006（2）：23－25，34

[3] 李磊鑫，劉衛斌.4300輛汽車滾裝船帶浮筒下水動力學計算分析[J].船海工程，2007（175）：30－33

[4] 郝金鳳，佟福山.大型船船臺下水時艏部強度計算分析[J].哈爾濱工程大學學報，2003，24（4）：380－384

[5] 王文華，王言英.基于CFD方法的船體下水水動力分析[J].大連海事大學學報，2009，35（3）：1－4

[6] 胡日強.船舶下水過程局部強度分析研究[D].大連：大連理工大學，2001

[7] 夏 強.Excel VBA應用開發與實例精講[M].北京：科學出版社，2006