船舶下水計算的方法及力學分析的探討

潘政中

摘 要：現(xiàn)階段國內(nèi)大部分船廠船舶下水方式主要有三種方式：縱向滑行下水方式、借助浮船塢進行下水、使用干船塢進行下水。本文結(jié)合現(xiàn)場運用要點主要探討船舶縱向滑行下水方式的計算，并根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)設計特點給出下水墩位布置的一些建議。

關(guān)鍵詞：船舶下水；計算方法；力學分析；支墩反力

船舶下水相當于船舶的出生，它第一次接觸到實際意義上的水，就像人平安出生一樣，船舶下水也需要保證安全計算。船舶下水計算目的就是預測船舶下水過程中的安全性。

一、下水階段描述及各階段注意事項

按照船舶下水過程中的運動特征、力的變化以及有可能出現(xiàn)的危險情況，慣例地把船舶下水過程劃分為4個過程。

第一階段：自船舶開始滑動至船體接觸水面為止

在這一階段中，船依靠本身重力沿滑道方向的分力下滑。設下水重力為（包括船體及下水支架），滑道坡度為（弧形滑道取重心正下方之滑道坡度），靜摩擦系數(shù)為，則船開始滑動條件為使船下滑的作用力

，即

這一階段應注意船舶的重量及重心的位置。

第二階段：自船體尾端接觸水面至船尾開始上浮為止

這一階段中船的運動仍然平行于滑道，該階段的力及力矩平衡方程式為：

；

式中，，及分別為下水重力，浮力和滑道反作用力的作用點至下水架前端點的距離。

在這一階段中應避免尾下落現(xiàn)象。

第三階段：自船尾開始上浮至下水架滑板前端離開滑道為止

理論上，當船尾開始上浮時，滑道反力集中于下水架前支點處。此時力及力矩的平衡方程為：

船尾上浮是船舶下水過程中的正常現(xiàn)象。但應采取適當?shù)拇胧苊鈮毫凶饔糜谙滤芮岸艘稽c，造成結(jié)構(gòu)損壞。通常在前部滑板與船體之間填入普通愣木，使反力分布在相當長度內(nèi)。

第四階段：自下水架滑板前端離開滑道至船舶停止運動為止

下水船舶全浮后，由于慣性作用將在水中繼續(xù)滑行，但是船舶受到水和其他制動物的阻力作用，其滑行速度將逐漸減小，直至滑行停止。

在這一階段應避免出現(xiàn)以下兩種情況：1、下水架滑板前端離開滑道末端時，船舶下水重量仍大于浮力——首吃水小于船首自由浮起的首吃水，將發(fā)生船首跌落現(xiàn)象。2、下水船舶脫離滑道以后，由于慣性將繼續(xù)在水面上向前運動一段距離。若水域狹窄，可能造成碰撞和擱淺。

綜上所述，船舶下水計算需要輸出的結(jié)果有三大類別：限制尾下落的條件、首支點的最大壓力、限制首跌落的條件。

二、船舶下水計算力學分析

船舶下滑運動與其所受作用力關(guān)系密切。如圖1所示：

重力是下水時船的重量，包括船體重量和下水架的重量，是下水過程中的重要因素。

浮力是船體入水部分所受水壓力的合力；在下水過程中，浮力和浮心位置B都隨時間變化。

滑道法向反力，方向垂直于滑道。

滑道摩擦力平行于滑道，與船舶的下滑力相反，阻止船舶下滑。

水動力包括水的粘性運動阻力和動量變化力。

當重力的力矩與浮力和滑道發(fā)作用力的合力的力矩平衡時，船舶開始尾浮。此時應該校核船舶下水最尾墩位的滑程，以確定是否出現(xiàn)尾下落，得出避免船舶尾下落的最小潮位。另外，該階段會出現(xiàn)船舶的最大沉深，應該考慮避免船尾接觸塢墩。

當浮力與重力平衡時，船舶完成尾浮。此時應該校核首墩的滑程，以確定是否出現(xiàn)首跌落，得出避免船舶首跌落的最小潮位。如果船舶下水區(qū)域的潮位是在不能滿足避免首跌落的潮位要求，對于布置2根滑道的船臺，可在其下水部分做出中心凹槽，當發(fā)生首跌落時就可避免船舶撞擊船臺或水底。另外，首支點所受壓力在該階段達到最大，應給出所受壓力的最大數(shù)值以便下水布置時施工人員選擇合適的首支點工裝。

三、船舶下水計算方法分析

船舶下水計算方法分析包括了多方面的內(nèi)容，以下從基本計算假設、基本計算原理、整體計算流程等方面出發(fā)，對于船舶下水計算方法進行了分析。

基本計算假設

在船舶的下水過程中，其計算的基本假設主要包括了船梁撓曲線和總縱彎矩以及和滑道反力的計算原理和內(nèi)容。在本文的研究過程中假設船舶下水是在三維空間中的六個自由度的復合運動，

即為且這一運動會受到部分隨機因素影響。其次，因為船體的橫剖面和慣性矩只需要參與船體總縱彎曲的全部縱向構(gòu)件，然后在此基礎上通過假設船體梁的中和軸在負荷為零時，就能夠在此基礎上讓船舶在垂直于中和軸的方向處于掙力平衡狀態(tài)。[1]

基本計算原理

船舶下水計算方法有著全面的計算原理，既在下水的第一、二階段確保中和軸與滑道平行，然后在此基礎上根據(jù)船體處于靜平衡狀態(tài).至于船體在沿中和軸方向上受的力，如下滑力和慣性力以及水阻力以及附連水等對垂直方向的影響很小，從而能夠使其忽略不計。其次，在判定基本計算原理時還應當避免外伸重量過大問題的出現(xiàn)，從而能夠在此基礎上將外伸重量全部加到O～20站內(nèi)。其公式為：

在這一階段中彈性的基礎梁會受到的外荷重的影響，并且所有的力與撓度方向在與夕軸同向時為正。[2]

整體計算流程

船舶下水計算應當有著完善的計算流程。在這一過程中設計人員應當考慮到其對于浮力的影響以及船底有效剛度的影響，以此為基礎來判定船體梁的平衡微分方程。其次，因為這一方程的解析在數(shù)學上存在著較大程度的困難，因此設計人員應當通過采用虛位移原理來等價船體梁的平衡微分方程，并且通過采用李茲法來趨近于所需求的下水過程中船體梁的撓曲，表現(xiàn)為：

因此這意味著只要能夠求得解線性方程組，然后以此為基礎就能夠求得墩木反力。為此我們編制了相應的計算機程序，通過執(zhí)行流程就能夠用電子計算機很容易地可進行逐步逼近來求得精確位置，計算結(jié)果表明了這一假設本身所具有的合理性。[3]

四、船底局部強度及支墩反力

船舶強度設計是以能承受船體航行過程中分布水壓力為依據(jù)設計的船底縱桁和實肋板之間的小板架。由于這樣的結(jié)構(gòu)特點，船底各點的局部剛度不同，布置有實肋板及強縱桁的位置局部最大；有縱骨的位置局部強度較大；其余位置的局部強度隨著離開這些加強筋而很快的降低。

船舶下水時作用在船底上的支墩反力非常大，并且集中作用于船底與支墩接觸的局部區(qū)域，這和船舶航行狀態(tài)下的受力性質(zhì)是完全不同的。這樣的船底結(jié)構(gòu)特點，使得船底板不同部位在下水過程中的凹入變形差異較大，相應的，與船底各部位對應的支墩局部點，壓縮變形也有很大的不同。

根據(jù)船底結(jié)構(gòu)的特點和船舶下水的受力性質(zhì)，對下水墩位置提出如下建議：支墩應盡可能布置在縱向或橫向強力構(gòu)件下，如船底縱桁或縱艙壁，實肋板或強力肋板等；由于下水時的載荷是一次短時間作用，因此，對局部彎曲和應力集中引起的二次應力允許超過其抗彎和抗剪強度以及薄壁構(gòu)件的穩(wěn)定性，但高應力進入塑性應力重新分布后，結(jié)構(gòu)不應出現(xiàn)大的變形；當強度和穩(wěn)定性不足時，應予以加強。所加強構(gòu)件應避免因應力集中而可能導致船體的疲勞損傷，避免在已有構(gòu)件焊縫處重復施焊，特別是下水首支墩與船體連接處的局部強度。

參考文獻：

[1]陳鐵云，沈偉琴，朱崇賢.船舶無首支架縱向下水新工藝的力學分析與計算[J].船舶工程，2015，02（1）：37-39.

[2]王化明，屠璐瓊，陳林，趙春慧.橫流環(huán)境下船舶縱向下水試驗研究[J].中國造船，2016，1（02）：45-47.

[3]陳鐵云，張圣堃，錢仍勣.船舶計算結(jié)構(gòu)力學的現(xiàn)狀和發(fā)展—數(shù)值分析方法在船舶結(jié)構(gòu)強度計算中的應用[J].上海交通大學學報，2016，1（02）：

26-29.