基于氣囊下水工藝的船舶總縱強(qiáng)度分析

郭 豪

(廣西壯族自治區(qū)船舶檢驗(yàn)中心，廣西 南寧 530028)

0 引言

近年來(lái)，隨著西江航運(yùn)干線航道條件的升級(jí)和航運(yùn)市場(chǎng)的需求增加，廣西區(qū)內(nèi)造船朝大型化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展趨勢(shì)明顯，對(duì)大型船舶的穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等適航性能以及建造過(guò)程的安全提出了更高的要求。船舶從開(kāi)始建造到報(bào)廢，要經(jīng)歷裝配焊接、下水、航行、上船塢維修等步驟，廣西建造的船舶在下水過(guò)程也曾發(fā)生過(guò)船體結(jié)構(gòu)損壞的事故，比如使用氣囊將船舶從水平船臺(tái)向下水坡道移動(dòng)的過(guò)程中，由于主船體超出下水坡道坡頂點(diǎn)的懸空部分過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致主船體舯部發(fā)生斷裂；又如船舶從下水坡道重力下水后，由于下水水域水深不足，船舶艉軸與河床碰撞后，導(dǎo)致艉軸、齒輪箱損壞以及機(jī)艙大量進(jìn)水。因此船舶下水過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題，涉及船舶的總縱強(qiáng)度、下水坡道的承載能力、下水水域的水文條件等一系列問(wèn)題，而且?guī)в幸欢ǖ奈ｋU(xiǎn)性，是在船舶建造過(guò)程中十分重要的環(huán)節(jié)。為保證船舶安全下水，事前盡可能正確地進(jìn)行科學(xué)、精準(zhǔn)的計(jì)算，對(duì)船舶下水過(guò)程的總縱強(qiáng)度分析校核和預(yù)測(cè)船舶下水進(jìn)程起到至關(guān)重要的作用。

1 船舶下水的受力分析以及強(qiáng)度校核原理

在船體總縱強(qiáng)度計(jì)算中，通常將船體理想化為一條變截面的空心薄壁梁，簡(jiǎn)稱船體梁。船體梁在外力作用下沿其縱向鉛垂面發(fā)生總縱彎曲從而產(chǎn)生應(yīng)力[1]。船舶在波浪上航行時(shí)，重力與浮力是引起船體梁總縱彎曲的主要外力，而船舶在下水過(guò)程，重力、浮力以及下水坡道的反作用力則是引起船體梁總縱彎曲的主要外力。通過(guò)分析船體梁在下水過(guò)程各階段所受的外力，求解船體梁橫剖面上的剪力、彎矩以及相應(yīng)的彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力，并以內(nèi)河船舶建造規(guī)范所規(guī)定的總縱強(qiáng)度許用應(yīng)力作為衡準(zhǔn)值，從而校核船舶在下水過(guò)程是否能滿足規(guī)范的強(qiáng)度要求。

船舶的下水過(guò)程如圖1所示，船體梁在其縱向鉛垂面所受整體的重力、浮力和下水坡道的反作用力的分力是大小相等、方向相反，使全船在其縱向鉛垂面處于靜力平衡狀態(tài)，但沿船長(zhǎng)的任一區(qū)間分段而言，這些分力的相互作用是不平衡的，因此船體梁內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生剪力和彎矩。將船體簡(jiǎn)化成船體梁，每站所受的重力、浮力分布力簡(jiǎn)化成合力作用點(diǎn)在各站中點(diǎn)的均布力，氣囊簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)支端，并且船體梁的艏、艉兩端為自由端，依據(jù)上述的各方面簡(jiǎn)化得到圖2所示結(jié)構(gòu)模型[2]。在此模型上進(jìn)行受力分析，通過(guò)截面法[3]依次求得各站位橫剖面上的剪力和彎矩[4]。

圖1 船舶下水過(guò)程典型階段示意圖

圖2 船體梁的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型及截面法計(jì)算剪力和彎矩的原理示意圖

2 船舶下水設(shè)施布置的假定條件

廣西各船廠船舶下水絕大部分采用單列氣囊布置于船底的重力縱向下水方式，船底與下水坡道不直接接觸，由氣囊充氣受壓后提供支撐力。下水設(shè)施應(yīng)滿足中國(guó)船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《船舶用氣囊上排、下水工藝要求》(CB/T 3837-2011)中第5條設(shè)施要求，其中氣囊之間的中心距以及數(shù)量應(yīng)滿足該要求[5](見(jiàn)圖3)。

圖3 《船艏用氣囊上排、下水工藝要求》(CB/T 3837-2011)規(guī)定的下水坡道要求以及入水方式示意圖

本文在研究單個(gè)氣囊對(duì)船舶產(chǎn)生的支撐力時(shí)，假定以船舶下水重量重心G位置為分界，艏方向的反力大小為RF，艉方向的反力大小為RA，力的作用點(diǎn)等間距排列，根據(jù)在船舶鉛垂面上的靜力平衡方程式，以及承載下水船舶重量所需的氣囊數(shù)量計(jì)算得出船舶在下水過(guò)程各階段單個(gè)氣囊的支撐力。雖然在整個(gè)下水運(yùn)動(dòng)過(guò)程中船舶與氣囊的相對(duì)位置不斷變化，但是其呈固定的周期性規(guī)律，因此在作受力分析時(shí)，可以假設(shè)支撐力是從船體艏部理論分站的受力作用點(diǎn)開(kāi)始擺放，以相等間距排列。

3 下水各階段的最大總縱彎曲的剪力、彎矩計(jì)算

根據(jù)船舶下水過(guò)程中運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)、作用力的變化以及可能發(fā)生的危險(xiǎn)情況，結(jié)合廣西船舶下水實(shí)際特點(diǎn)，通常在以下三個(gè)階段分別出現(xiàn)總縱彎曲彎矩和剪力的極值。

3.1 第一階段：平地移動(dòng)至下水坡道轉(zhuǎn)動(dòng)前

自船舶從水平船臺(tái)通過(guò)氣囊以及牽引設(shè)備控制移動(dòng)至下水坡道上端點(diǎn)S，船艉繼續(xù)移動(dòng)逐漸延伸超出S點(diǎn)，如圖4所示，這一階段船的運(yùn)動(dòng)平行于水平船臺(tái)，船體梁所受的作用力有：

圖4 船舶在平地向下水坡道轉(zhuǎn)動(dòng)前總縱彎曲應(yīng)力最大位置示意圖

(1)各理論站分段的船舶下水重量所受重力Pi。

(2)氣囊所提供的支撐力RA及RF。

該階段中力的平衡方程式為：

ΣPi=ΣRA+ΣRF

(1)

該階段中艏、艉支撐力對(duì)重心的力矩平衡方程式為：

ΣRA·LAi=ΣRF·LFi

(2)

船體在移動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)下水重量重心G位置艉方向的氣囊全部超過(guò)S點(diǎn)時(shí)，則船體可簡(jiǎn)化視為開(kāi)始繞S點(diǎn)由水平面向下水坡道轉(zhuǎn)動(dòng)，因此研究重心G在艉方向僅由一個(gè)氣囊支撐時(shí)，為該階段船體所產(chǎn)生總縱彎曲最大的位置，聯(lián)立式(1)、式(2)計(jì)算得出支撐力RA和RF，并通過(guò)船體梁的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型計(jì)算該位置的彎矩和剪力。

3.2 第二階段：沿下水坡道移動(dòng)

按照《船舶用氣囊上排、下水工藝要求》(CB/T 3837-2011)操作程序要求，可簡(jiǎn)化視為船體自繞下水坡道上端點(diǎn)S轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖5所示，船舶轉(zhuǎn)動(dòng)到下水坡道后的運(yùn)動(dòng)將平行于下水坡道，假設(shè)下水坡道的坡度為β，船體梁在縱向鉛垂面所受的作用力有：

圖5 船舶轉(zhuǎn)動(dòng)后沿下水坡道后總縱彎曲應(yīng)力最大位置示意圖

(1)各理論站分段的船舶下水重量所受重力垂直于下水坡道的分力Pi·cosβ。

(2)氣囊所提供的支撐力RA及RF。

該階段中力的平衡方程式為：

ΣPi·cosβ=ΣRA+ΣRF

(3)

該階段中艏、艉支撐力對(duì)重心的力矩平衡方程式為：

ΣRA·LAi=ΣRF·LFi

(4)

由于這一階段船體沿著下水坡道平行運(yùn)動(dòng)，因此研究重心G在艏方向僅由一個(gè)氣囊支撐時(shí)，為該階段船體所產(chǎn)生總縱彎曲最大的位置，聯(lián)立式(3)、式(4)計(jì)算得出反力的RA和RF，并通過(guò)船體梁的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型計(jì)算該位置的彎矩和剪力。此后，船舶將沿下水坡道開(kāi)始下滑，至開(kāi)始接觸水面前的位置，下水重量重心G在艏方向布置的氣囊逐漸增加。

3.3 第三階段：船舶開(kāi)始下水至船艉上浮前

自船體艉端接觸水面至艉開(kāi)始上浮為止，這一階段中，船的運(yùn)動(dòng)仍平行于下水坡道，如圖6所示，船體梁在縱向鉛垂面所受的作用力有：

圖6 船體艉端剛接觸水面，下水進(jìn)程xw=0示意圖

(1)各理論站分段的船舶下水重量所受重力垂直于下水坡道的分力Pi·cosβ。

(2)各理論站分段的船舶入水部分所受浮力垂直于下水坡道的分力Bi·cosβ。

(3)氣囊所提供的支撐力Ri。

為簡(jiǎn)化計(jì)算各理論站的浮力Bi及浮心位置，同時(shí)從偏安全角度出發(fā)，該階段假定船艉下水部分的氣囊不對(duì)船體產(chǎn)生支撐反作用力，僅計(jì)算船體部分的浮力及浮心位置。

該階段中設(shè)船舶下水進(jìn)程為xw(船體艉部下水部分沿船長(zhǎng)的方向的長(zhǎng)度)，力的平衡方程式為：

ΣPi·cosβ=ΣBi·cosβ+ΣRA+ΣRF

(5)

其中由xw和下水坡度β推導(dǎo)得出船艉部分的吃水線，當(dāng)船舶沿下水坡道滑行的距離為xw，艏艉吃水計(jì)算公式為[3]：

dF=-h+xw·tanβ
dA=dF+LPP·tan(α+β)

(6)

式中：LPP——船舶垂線間長(zhǎng)(m)；

α——船底平板龍骨初始縱傾角(°)；

β——下水坡道坡度(°)；

h——船在解脫牽引后未滑動(dòng)時(shí)艏垂線處的龍骨基線在水面以上的高度m。

再通過(guò)船舶靜水力邦戎曲線積分求得各理論站分段的Bi，該階段中對(duì)該點(diǎn)的力矩平衡方程式為：

ΣPi·cosβ·Lpi=ΣBi·cosβ·LBi+ΣRA·LAi+ΣRF·LFi

(7)

下水進(jìn)程xw由0開(kāi)始逐漸增大，取不同xw值由式(6)可求得對(duì)應(yīng)的艏艉吃水值，在邦戎曲線上畫(huà)出對(duì)應(yīng)的水線，再通過(guò)數(shù)值積分的方法求得各站的浮力以及浮心位置，進(jìn)而聯(lián)立式(5)、式(7)求得RA和RF。當(dāng)xw取值令ΣPi·cosβ·Lpi=ΣBi·cosβ·LBi時(shí)，則表示船艉開(kāi)始上浮，通過(guò)迭代計(jì)算或插值法，求得令等式成立的xw值為xa，該點(diǎn)即為船舶下水過(guò)程中的艉上浮點(diǎn)，xa點(diǎn)的艉吃水則為下水進(jìn)程的最大吃水深度，此時(shí)僅由最前端點(diǎn)的氣囊提供支撐力，為該階段船體所產(chǎn)生總縱彎曲最大的位置。見(jiàn)圖7。

圖7 船舶開(kāi)始下水后總縱彎曲應(yīng)力的最大位置示意圖

在下水的第三階段中，必須注意是否會(huì)出現(xiàn)船艉下落現(xiàn)象。若下水重量的重心艉方向的氣囊已全部入水，而船艉尚未浮起，如圖8所示，重力對(duì)重心艏方向第一個(gè)氣囊的力矩MG=ΣPi·SGi有使船艉下落的趨勢(shì)，而浮力對(duì)該點(diǎn)的力矩MB=ΣBi·SBi有阻止船艉下落的作用，其中：SGi和SBi分別為各理論站力的作用點(diǎn)至重心艏方向第一個(gè)氣囊的距離。

圖8 當(dāng)重心G艉方向氣囊全部入水且艉尚未浮起，若MG>MB，則發(fā)生艉下落現(xiàn)象示意圖

若MGMB，則船以重心艏方向第一個(gè)氣囊為支點(diǎn)而發(fā)生艉下落現(xiàn)象，此時(shí)船體受到局部集中反力，可能發(fā)生局部的變形，甚至船體有可能與下水坡道末端發(fā)生碰撞。艉下落是一種極其危險(xiǎn)的現(xiàn)象，船舶在下水過(guò)程中不允許發(fā)生此種情況，如果根據(jù)下水計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生艉下落時(shí)，應(yīng)采取措施避免發(fā)生這種情況。通常采取的方法有：(1)在船艏部分增加壓載重量，使艏部對(duì)滑到末端的力矩增加，降低船艉下落的趨勢(shì)；(2)增加下水坡道的角度；(3)等待水位上升，增加下水坡道末端的距離[6]。

4 校核船舶總縱強(qiáng)度

通過(guò)上述分析，可得出船體梁在各階段所受總縱彎曲最大的位置，并通過(guò)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型及截面法，計(jì)算各橫剖面的剪力FN(i)、彎矩M(i)，根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》關(guān)于船舶總縱彎曲強(qiáng)度校核的原理，對(duì)船舶幾個(gè)典型部位進(jìn)行校核，如船中部彎矩極值處剖面、船中部最弱剖面、剪力極值處剖面、機(jī)艙前端處以及最前貨艙的前端處等，船體梁各計(jì)算剖面的彎曲應(yīng)力σs、船體梁剖面中和軸處舷側(cè)外板及縱艙壁的剪切應(yīng)力τi。

船舶總縱強(qiáng)度的衡準(zhǔn)根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》，下水各階段船體梁各計(jì)算剖面的彎曲應(yīng)力σs在強(qiáng)力甲板和船底處的值應(yīng)≤137 N/m2，在中部連續(xù)艙口圍板頂緣處的值應(yīng)≤153 N/m2；船體梁剖面中和軸處舷側(cè)外板及縱艙壁的剪切應(yīng)力τ應(yīng)≤80 N/m2[7]。

5 結(jié)語(yǔ)

如何從專業(yè)技術(shù)角度進(jìn)行分析和指導(dǎo)船舶企業(yè)生產(chǎn)，確保船舶在建造過(guò)程各個(gè)重要階段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全，是身為從事船舶檢驗(yàn)事業(yè)的專業(yè)驗(yàn)船師應(yīng)當(dāng)具備的職業(yè)素養(yǎng)。

當(dāng)前，內(nèi)河船舶的建造規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)等與船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相關(guān)的文獻(xiàn)資料均是對(duì)船舶在航行、避風(fēng)、作業(yè)等工況開(kāi)展研究，但是針對(duì)船舶在建造過(guò)程下水階段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和校核方面研究的資料很少。船舶在建造過(guò)程中的下水階段是一個(gè)極為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，且?guī)в幸欢ㄎｋU(xiǎn)性。本文通過(guò)分析船舶在下水過(guò)程各階段所受到的外力，參照現(xiàn)行建造規(guī)范的總縱強(qiáng)度計(jì)算校核標(biāo)準(zhǔn)，能可靠地指導(dǎo)采用氣囊下水工藝的船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全性分析，利用理論計(jì)算的方法降低事故發(fā)生的概率。同時(shí)，此種計(jì)算方法能推導(dǎo)計(jì)算船舶下水過(guò)程中下水坡道所承載的壓力，以及船舶安全下水水域水文條件所要滿足的最低要求，從而能夠?qū)ο滤畻l件所能適配船廠的最大建造能力進(jìn)行評(píng)估。