通過浮態調整進行臥倒式塢門安裝的設計分析

摘" 要：對于近期船塢建設缺少水位調節條件給臥倒式塢門安裝帶來困難的問題，該文提出通過臥倒式塢門內部水量調節實現大角度浮態調整的安裝方式，明確多個穩定浮態對于臥倒式塢門平穩翻轉的必要性；進行臥倒式塢門穩定浮態的靜力學分析，提出基于預設臥倒式塢門橫傾角度的浮態計算方法；結合設計實例，對浮態計算中艙室容積的形心計算提出一種簡化計算方式，并基于該簡化方式提出一種自由液面影響下艙室內部水重心的工程應用算法。

關鍵詞：臥倒式塢門；浮態；自由液面；簡化計算；工程應用算法

中圖分類號：TP301.6" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0134-04

Abstract： Lack of water level adjustment in recent dock construction causes difficult in flap dock gate installation. In this paper， a method of installation involving large angle rotation of flap dock gate in free water by adjusting amount of water within flap dock gate is proposed. The necessity of multiple stable afloat conditions during this installation is identified. Static state of dock flap dock gate is analyzed， and a design procedure based on pre-determined flap dock gate heeling angle is proposed. A simplification method in flap dock gate afloat condition centroid calculation is proposed based on real case analysis. An engineering application algorithm is provided for centroid calculation affected by free surface.

Keywords： flap dock gate; afloat condition; free surface; simplification method; engineering application algorithm

臥倒式塢門是國內外大型修造船塢的重要配套設備之一，其作用是在關閉狀態時處于直立狀態擋住塢室外的水，以提供船舶修造作業條件，而在開啟時旋轉約90°落入塢外預設的門坑呈臥倒狀態，可供船舶出入。在以往國內修造船塢的建設中，臥倒式塢門均在船塢及塢口附近水位可調的狀態下完成安裝作業。隨著現代船塢建設的發展，臥倒式塢門的安裝在船塢整體建設工序步驟中有所調整，所以對臥倒式塢門提出了在塢室內外水域連通的狀態下進行安裝的要求。

1" 臥倒式塢門的結構形式簡介

臥倒式塢門一般可分為氣控式和機械式，其中氣控式是通過調節臥倒式塢門內部艙室的水和空氣的體積，進而改變臥倒式塢門的浮力矩和重力矩，使得臥倒式塢門在浮力矩和重力矩的作用下趨向平臥和直立狀態；而機械式臥倒門則配有絞車，絞車通過鋼絲繩拉曳門體，通過放繩將臥倒式塢門放下至平臥狀態、通過收繩將臥倒式塢門拉起至直立狀態。

臥倒式塢門一般由門體結構、管路、門鉸、止水、固體壓載及其他附件組成，機械臥倒式塢門還配備一套由絞車、滑輪、鋼絲繩組成的拉曳系統。臥倒式塢門的門體結構是一個大型水密鋼結構箱體，其高度方向上一般分3層，上層設有潮汐艙、中層設有固定浮艙等、底層設壓載水艙，門體結構對稱于其中截面[1]。

在臥倒式塢門安裝至塢口時，通常僅將位于門體內部的管路、安裝在門體底部的門鉸上鉸座、止水等部件安裝在門體結構上一并進行安裝，其他部件有的先期完成安裝，如：機械式臥倒門的絞車、氣控式臥倒門位于岸上的控制室內設備、安裝在塢口基礎上的門鉸下鉸座等，有的則在門體安裝完成后再進行安裝，如欄桿、氣控式臥倒門連接至岸上的控制室的管路段、機械式臥倒門的鋼絲繩等。

2" 臥倒式塢門安裝原理

在船塢建設具備水位調節條件時，即臥倒式塢門安裝前船塢圍堰未拆除時，臥倒式塢門可在平臥漂浮狀態運至塢口，然后隨水位逐漸落在門軸上[2]。而當因船塢建設需要，在臥倒式塢門安裝前即拆除圍堰時，臥倒式塢門無法隨水位落位，此時就需要臥倒式塢門自身從較適宜托運的平臥漂浮狀態旋轉至直立漂浮狀態并落位。

為實現臥倒式塢門調整漂浮姿態這一動作，雖然可以使用大型浮吊進行直接調整[3]，但考慮到常規臥倒式塢門的尺度，一種較為經濟的方法是將臥倒式塢門內的固定浮艙、操作艙和臨時封閉并接上管路的潮汐艙均用作調節艙，通過向以上各艙室內分別緩慢灌入一定量的水改變臥倒式塢門的排水量、重心、浮心，臥倒式塢門在重力矩和浮力矩的作用下，逐漸穩定在特定的吃水和旋轉角度，最終隨潮位的變化落在門鉸下鉸座上。

盡管這一浮態調整方式僅需確定平臥、直立這2個浮態即可指導整個調整過程，但此二狀態間艙室內水量相差較大，如在短時間內完成各艙室水量調整，則重力矩、浮力矩作用下的門體旋轉速度較快，同時由于臥倒式塢門自身規模導致所需拖帶力一般大于拖船、絞盤、系船柱的能力，門體轉至直立狀態后容易繼續旋轉，造成浮態失控。而如果減慢艙室灌水速度但不注意灌水順序，由于隨增大的重力一同增加的浮力可能具有更大的力臂，則重力矩、浮力矩綜合作用下的門體可能會出現反向旋轉的動作。因此，為使得整個旋轉安裝過程盡量平穩，需要在平臥、直立之間增加若干穩定浮態，即門體在這些浮態時均需要處于平衡狀態。

3" 臥倒式塢門的浮態

3.1" 臥倒式塢門受力分析

為便于浮態分析，假設安裝中的臥倒式塢門門體所處水域為靜水，則門體僅受重力和浮力，其漂浮于水上處于力平衡和力矩平衡狀態，即有

W=B和W·xg=B·xB，

式中：W為塢門重力；B為塢門浮力；xg為塢門沿船塢塢長方向重心；xB為塢門沿船塢塢長方向浮心，即塢門水下部分沿船塢塢長方向形心。

設塢門內有n個可灌水艙室，則塢門重力W有

W=Wfg+ Wi，

式中：Wfg為門體結構和固定在門體結構上所有部件的總重力；Wi為第i個艙室中水的重力。

根據《浮體靜力學與動穩性理論》[4]，塢門沿船塢塢長方向重心可按以下公式計算

xg= ，

式中：xfg為對應門體總重力Wfg的沿船塢塢長方向重心；xb，i為第i個艙室內水的沿船塢塢長方向重心。

塢門的浮力有

B= V，

式中：？籽為塢門安裝所處水域的水密度；V為特定浮態時塢門水下部分的體積。

為使得門體處于穩定平衡狀態，除重力與浮力相等以外，還需要滿足浮心位于重心的上方0.05 m[5]，故有

yB-yg 0.05 m，

式中：yB為塢門豎直方向浮心；yg為塢門豎直方向重心。

3.2" 臥倒式塢門浮態分析

3.2.1" 臥倒式塢門浮態計算方式

在臥倒式塢門的力平衡、力矩平衡公式中，門體結構及固定在門體結構上所有部件的合成重心隨門體橫傾角度α變化。塢門各艙室內水的重心xb，i隨水的重量wi和門體橫傾角度α變化，且若艙室內水未滿，還需要進行自由液面影響修正。塢門水下部分的體積大小和對應的浮心根據門體橫傾角度α和門體吃水l確定。

將臥倒式塢門的力平衡、力矩平衡相關公式代入整理后，可用于求解的公式數量小于變量數量（即：門體橫傾角度α、門體吃水l、各艙室灌水量wi），無法求解。為此，可先假定一個確定的橫傾角度，然后設定門體吃水初選值，進而根據力平衡公式逐個調整艙室的灌水量，再求得門體浮心、各艙室內水的重心等浮態參數，并驗證力矩平衡及浮心高于重心的規范要求，將此過程反復迭代后，可得到一個穩定的浮態。經實際臥倒式塢門設計安裝項目嘗試，門體橫傾角度以10～15°的步進進行設置，從而將臥倒式塢門的浮態自平臥至直立間加入5～8個中間穩定狀態，可以實現平穩轉動，如圖1所示。

3.2.2" 自由液面影響

一個未完全灌滿的艙室內將產生自由液面，船舶為減小自由液面對中心的影響通常設置多道艙壁[6]，但臥倒式塢門受其制造成本所限一般無法采用該方式，因此需要在浮態計算中進行自由液面修正。由于浮態計算中需要根據已知灌水量和塢門角度求取重心位置，首先就需要計算自由液面的位置。對于一個確定的臥倒式塢門，每個艙室的自由液面及灌水重心理論上可準確計算得到。

臥倒式塢門門體結構為加強門體強度和剛度，其面板、甲板、肋骨等主要結構一般會設置T排、角鋼等構件[7]，如圖2所示。在計算各艙室內部容積時，應當將這些構件及相應筋板等附件所占體積扣除，因此艙室內部容積不能按表面平整的平行六面體計算。因為精確計算每根T排、角鋼構件、筋板在相應狀態下的體積及其對自由液面的影響將會在工程設計中產生的大量計算，宜在計算中對艙室內部空間進行一定簡化，可在較小的誤差內提高設計計算效率。

考慮到一般臥倒式塢門中不同構件所占體積的大小，通常可以將加強面板的構件（即縱桁材）、加強甲板和隔板的構件中的主要T排、型鋼簡化為平直通長結構，如圖3所示。這一簡化方式對比簡化前的艙室及進一步將所有加強構件去除的艙室（圖4），其對容積大小、形心位置的計算較為準確。以實際臥倒式塢門為例，簡化前、簡化后、過度簡化的艙室內容積、形心對比見表1。

對于一已知形狀及目標形狀面積（或目標形狀面積占該形狀總面積之比），為滿足目標形狀下部與已知形狀邊緣重合、上部為水平直線（即艙室內自由液面）的條件，可采用二分法求得目標形狀上部水平邊的位置，進而求得形心位置。工程設計時，可在目前主流CAD軟件中通過二分法反復作圖獲得。為進一步提高設計效率，也可將作圖過程編寫為程序，自動求近似解。程序偽代碼如圖5所示。輸入為形狀各端點坐標矩陣，目標形狀面積占總面積之比；輸出為形心坐標。

由圖5可知，偽代碼中的面積計算部分findArea由于簡化后的艙室截面是簡單多邊形，故直接采用高斯面積公式

，

式中：n為多邊形的端點個數；xi、yi為各端點坐標。

偽代碼可在Matlab中實現，運行界面如圖6所示。相較于采用沿y軸積分的方式計算面積，采用高斯公式的計算效率更高。

4" 實際安裝作業中的注意事項

以上門體浮態分析是基于靜水的前提、以臥倒式塢門設計圖紙為對象進行。在實際安裝作業中，安裝水域的波浪、臥倒式塢門制造誤差及各部件安裝誤差均會影響門體浮態分析計算結果的準確性。所以除了灌水作業所需的輔助船舶、設備以外，實際安裝作業還需要準備抽水設備、輔助拖船等，以保證門體安裝可安全、平穩地完成。

5" 結束語

臥倒式塢門通過浮態調整進行的門體安裝與水位可調狀態下進行的安裝作業不同，需要對浮態調整進行分析計算。通過按浮態計算結果進行分步灌水，可使得臥倒式塢門門體自行平穩旋轉，以經濟的方式完成安裝。

參考文獻：

[1] 中船第九設計研究院工程有限公司.干船塢設計規范：CB/T 8524—2011[S].北京：中國船舶工業綜合技術經濟研究院，2011.[2] 袁昶.船塢臥倒門安裝工藝與實踐[J].華南港工，2008（4）：42-50.

[3] 郁祝如，鄭煜民，林長春.臥倒式塢門干式立吊安裝[J].中國港灣建設，1999（6）：73-77.

[4] 胡開業.浮體靜力學與動穩性理論[M].1版.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2018.

[5] The British Standard Institution. Maritime works - Part 3： Code of practice for the design of shipyards and sea locks BS 6349—3：2013 [S].London：BSI Standards Limited，2013.

[6] 盛振邦，劉應中.船舶原理（上冊）[M].上海：上海交通大學出版社，2003.

[7] 張嶺義，富玉良，鄭煜民.中遠六萬噸級船塢塢門的制造[J].中國港灣建設，1999（6）：69-72.