基于氣囊下水工藝的船舶總縱強度分析

郭 豪

(廣西壯族自治區船舶檢驗中心，廣西 南寧 530028)

0 引言

近年來，隨著西江航運干線航道條件的升級和航運市場的需求增加，廣西區內造船朝大型化、標準化發展趨勢明顯，對大型船舶的穩性和結構強度等適航性能以及建造過程的安全提出了更高的要求。船舶從開始建造到報廢，要經歷裝配焊接、下水、航行、上船塢維修等步驟，廣西建造的船舶在下水過程也曾發生過船體結構損壞的事故，比如使用氣囊將船舶從水平船臺向下水坡道移動的過程中，由于主船體超出下水坡道坡頂點的懸空部分過長，導致主船體舯部發生斷裂；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，導致艉軸、齒輪箱損壞以及機艙大量進水。因此船舶下水過程是一個復雜的系統問題，涉及船舶的總縱強度、下水坡道的承載能力、下水水域的水文條件等一系列問題，而且帶有一定的危險性，是在船舶建造過程中十分重要的環節。為保證船舶安全下水，事前盡可能正確地進行科學、精準的計算，對船舶下水過程的總縱強度分析校核和預測船舶下水進程起到至關重要的作用。

1 船舶下水的受力分析以及強度校核原理

在船體總縱強度計算中，通常將船體理想化為一條變截面的空心薄壁梁，簡稱船體梁。船體梁在外力作用下沿其縱向鉛垂面發生總縱彎曲從而產生應力[1]。船舶在波浪上航行時，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。通過分析船體梁在下水過程各階段所受的外力，求解船體梁橫剖面上的剪力、彎矩以及相應的彎曲應力、剪切應力，并以內河船舶建造規范所規定的總縱強度許用應力作為衡準值，從而校核船舶在下水過程是否能滿足規范的強度要求。

船舶的下水過程如圖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，但沿船長的任一區間分段而言，這些分力的相互作用是不平衡的，因此船體梁內部會產生剪力和彎矩。將船體簡化成船體梁，每站所受的重力、浮力分布力簡化成合力作用點在各站中點的均布力，氣囊簡化成簡支端，并且船體梁的艏、艉兩端為自由端，依據上述的各方面簡化得到圖2所示結構模型[2]。在此模型上進行受力分析，通過截面法[3]依次求得各站位橫剖面上的剪力和彎矩[4]。

圖1 船舶下水過程典型階段示意圖

圖2 船體梁的簡化結構模型及截面法計算剪力和彎矩的原理示意圖

2 船舶下水設施布置的假定條件

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。下水設施應滿足中國船舶行業標準《船舶用氣囊上排、下水工藝要求》(CB/T 3837-2011)中第5條設施要求，其中氣囊之間的中心距以及數量應滿足該要求[5](見圖3)。

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

本文在研究單個氣囊對船舶產生的支撐力時，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，力的作用點等間距排列，根據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量計算得出船舶在下水過程各階段單個氣囊的支撐力。雖然在整個下水運動過程中船舶與氣囊的相對位置不斷變化，但是其呈固定的周期性規律，因此在作受力分析時，可以假設支撐力是從船體艏部理論分站的受力作用點開始擺放，以相等間距排列。

3 下水各階段的最大總縱彎曲的剪力、彎矩計算

根據船舶下水過程中運動的特點、作用力的變化以及可能發生的危險情況，結合廣西船舶下水實際特點，通常在以下三個階段分別出現總縱彎曲彎矩和剪力的極值。

3.1 第一階段：平地移動至下水坡道轉動前

自船舶從水平船臺通過氣囊以及牽引設備控制移動至下水坡道上端點S，船艉繼續移動逐漸延伸超出S點，如圖4所示，這一階段船的運動平行于水平船臺，船體梁所受的作用力有：

圖4 船舶在平地向下水坡道轉動前總縱彎曲應力最大位置示意圖

(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、艉支撐力對重心的力矩平衡方程式為：

ΣRA·LAi=ΣRF·LFi

(2)

船體在移動過程中，當下水重量重心G位置艉方向的氣囊全部超過S點時，則船體可簡化視為開始繞S點由水平面向下水坡道轉動，因此研究重心G在艉方向僅由一個氣囊支撐時，為該階段船體所產生總縱彎曲最大的位置，聯立式(1)、式(2)計算得出支撐力RA和RF，并通過船體梁的簡化結構模型計算該位置的彎矩和剪力。

3.2 第二階段：沿下水坡道移動

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，可簡化視為船體自繞下水坡道上端點S轉動，如圖5所示，船舶轉動到下水坡道后的運動將平行于下水坡道，假設下水坡道的坡度為β，船體梁在縱向鉛垂面所受的作用力有：

圖5 船舶轉動后沿下水坡道后總縱彎曲應力最大位置示意圖

(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動，因此研究重心G在艏方向僅由一個氣囊支撐時，為該階段船體所產生總縱彎曲最大的位置，聯立式(3)、式(4)計算得出反力的RA和RF，并通過船體梁的簡化結構模型計算該位置的彎矩和剪力。此后，船舶將沿下水坡道開始下滑，至開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：船舶開始下水至船艉上浮前

自船體艉端接觸水面至艉開始上浮為止，這一階段中，船的運動仍平行于下水坡道，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。

為簡化計算各理論站的浮力Bi及浮心位置，同時從偏安全角度出發，該階段假定船艉下水部分的氣囊不對船體產生支撐反作用力，僅計算船體部分的浮力及浮心位置。

該階段中設船舶下水進程為xw(船體艉部下水部分沿船長的方向的長度)，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推導得出船艉部分的吃水線，當船舶沿下水坡道滑行的距離為xw，艏艉吃水計算公式為[3]：

dF=-h+xw·tanβ
dA=dF+LPP·tan(α+β)

(6)

式中：LPP——船舶垂線間長(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時艏垂線處的龍骨基線在水面以上的高度m。

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

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

(7)

下水進程xw由0開始逐漸增大，取不同xw值由式(6)可求得對應的艏艉吃水值，在邦戎曲線上畫出對應的水線，再通過數值積分的方法求得各站的浮力以及浮心位置，進而聯立式(5)、式(7)求得RA和RF。當xw取值令ΣPi·cosβ·Lpi=ΣBi·cosβ·LBi時，則表示船艉開始上浮，通過迭代計算或插值法，求得令等式成立的xw值為xa，該點即為船舶下水過程中的艉上浮點，xa點的艉吃水則為下水進程的最大吃水深度，此時僅由最前端點的氣囊提供支撐力，為該階段船體所產生總縱彎曲最大的位置。見圖7。

圖7 船舶開始下水后總縱彎曲應力的最大位置示意圖

在下水的第三階段中，必須注意是否會出現船艉下落現象。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，重力對重心艏方向第一個氣囊的力矩MG=ΣPi·SGi有使船艉下落的趨勢，而浮力對該點的力矩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至重心艏方向第一個氣囊的距離。

圖8 當重心G艉方向氣囊全部入水且艉尚未浮起，若MG>MB，則發生艉下落現象示意圖

若MGMB，則船以重心艏方向第一個氣囊為支點而發生艉下落現象，此時船體受到局部集中反力，可能發生局部的變形，甚至船體有可能與下水坡道末端發生碰撞。艉下落是一種極其危險的現象，船舶在下水過程中不允許發生此種情況，如果根據下水計算結果發現可能產生艉下落時，應采取措施避免發生這種情況。通常采取的方法有：(1)在船艏部分增加壓載重量，使艏部對滑到末端的力矩增加，降低船艉下落的趨勢；(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 校核船舶總縱強度

通過上述分析，可得出船體梁在各階段所受總縱彎曲最大的位置，并通過簡化結構模型及截面法，計算各橫剖面的剪力FN(i)、彎矩M(i)，根據《鋼質內河船舶建造規范》關于船舶總縱彎曲強度校核的原理，對船舶幾個典型部位進行校核，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、機艙前端處以及最前貨艙的前端處等，船體梁各計算剖面的彎曲應力σs、船體梁剖面中和軸處舷側外板及縱艙壁的剪切應力τi。

船舶總縱強度的衡準根據《鋼質內河船舶建造規范》，下水各階段船體梁各計算剖面的彎曲應力σs在強力甲板和船底處的值應≤137 N/m2，在中部連續艙口圍板頂緣處的值應≤153 N/m2；船體梁剖面中和軸處舷側外板及縱艙壁的剪切應力τ應≤80 N/m2[7]。

5 結語

如何從專業技術角度進行分析和指導船舶企業生產，確保船舶在建造過程各個重要階段的結構強度安全，是身為從事船舶檢驗事業的專業驗船師應當具備的職業素養。

當前，內河船舶的建造規范、設計手冊等與船舶結構強度相關的文獻資料均是對船舶在航行、避風、作業等工況開展研究，但是針對船舶在建造過程下水階段的結構強度分析和校核方面研究的資料很少。船舶在建造過程中的下水階段是一個極為復雜的運動過程，且帶有一定危險性。本文通過分析船舶在下水過程各階段所受到的外力，參照現行建造規范的總縱強度計算校核標準，能可靠地指導采用氣囊下水工藝的船舶結構強度安全性分析，利用理論計算的方法降低事故發生的概率。同時，此種計算方法能推導計算船舶下水過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，從而能夠對下水條件所能適配船廠的最大建造能力進行評估。