船舶縱向下水新工藝研究

李 安 慰

（滬東（中華）造船集團(tuán)有限公司，上海 200129）

1 縱向船臺(tái)下水的技術(shù)現(xiàn)狀及問(wèn)題

船舶的下水方式通常有：船塢下水、縱向船臺(tái)下水（可分為滾珠下水和牛油下水）、橫向船臺(tái)下水、浮船塢下水、氣囊下水、起吊下水。當(dāng)前最為普遍采用的下水方式是船塢下水和縱向船臺(tái)下水?？v向船臺(tái)下水通常易發(fā)生的危險(xiǎn)情形有：艉跌落（艉彎）、艏跌落、滑道支撐受損、船體結(jié)構(gòu)受損、船艏碰撞船臺(tái)基面、船臺(tái)側(cè)壁碰撞、滑行沖撞障礙物[1]。在潮位過(guò)低時(shí)，避免艉跌落、艏跌落尤為艱難。

近年來(lái)，縱向船臺(tái)下水的計(jì)算方法有了很大發(fā)展。在傳統(tǒng)采用的靜力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算和分析的基礎(chǔ)上，杜忠仁認(rèn)為下水時(shí)船體是變剛度彈性基礎(chǔ)上的變斷面梁，通過(guò)計(jì)算得出了支墩反力沿著船長(zhǎng)的縱向分布[2]；顧永寧基于有限元法提出了縱向下水的彈性計(jì)算方法，并通過(guò)有限元模型計(jì)算一系列滑行位置時(shí)船體梁的垂線受力平衡和變形協(xié)調(diào)，得出每一個(gè)支墩反力，從而確定船舶結(jié)構(gòu)內(nèi)力，對(duì)下水全過(guò)程進(jìn)行強(qiáng)度分析[3]；盧鎮(zhèn)光等按照船體彈性梁思想，提出了彈性船體的支座反力計(jì)算方法，對(duì)下水時(shí)支座反力進(jìn)行分析計(jì)算[4]；馬駿等運(yùn)用有限元法結(jié)合實(shí)船總體強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果，構(gòu)造船體的三維模型，對(duì)下水時(shí)船底局部強(qiáng)度進(jìn)行了分析和計(jì)算[5]。由靜力學(xué)分析到彈性分析，再到全面的有限元法的應(yīng)用，使得下水計(jì)算越來(lái)越精確和合理了。

如何避免艏跌落或艉跌落？一般采取的措施有：設(shè)置壓載調(diào)整重心位置、改變船體基線坡度、向水下延伸滑道、選擇高潮位日下水[1]。

2 縱向船臺(tái)下水的風(fēng)險(xiǎn)分析及設(shè)置浮箱的理論基礎(chǔ)

由于船舶艉部線性較艏部豐滿，因此船舶下水時(shí)一般采取尾部先入水的方式。如果重心滑過(guò)滑道末端之前艉部還沒(méi)有浮起，當(dāng)重心滑過(guò)滑道末端之后如果發(fā)生浮力對(duì)滑道末端力矩小于重力對(duì)滑道末端力矩，將發(fā)生艉跌落。如果艉跌落得以避免，當(dāng)艏部滑至滑道末端時(shí)船舶還沒(méi)有全部浮起（亦即艏部沒(méi)有浮起），將會(huì)發(fā)生艏跌落。

為避免艏跌落或艉跌落，可以采取壓載調(diào)整重心位置。有時(shí)候，這樣的調(diào)整可以避免危險(xiǎn)的發(fā)生。但當(dāng)潮位低到一定程度時(shí)，無(wú)論怎樣調(diào)整重心位置，至少有一種危險(xiǎn)情形——艏跌落或艉跌落將難以避免。

假設(shè)船臺(tái)布置如圖1所示，E為滑道末端點(diǎn)，A為初始位置時(shí)的船尾端點(diǎn)（艉垂線），C為初始位置時(shí)的船重心位置，F(xiàn)為艏垂線位置，P為初始位置時(shí)的托架首端點(diǎn)，Q為初始位置時(shí)的托架尾端點(diǎn)。

圖1 船臺(tái)布置

不發(fā)生艉跌落的條件是：當(dāng)假定船舶沿滑道下滑（基線在艏艉位置與船臺(tái)的間距保持不變）時(shí)，始終有

其中：S≥EA+LBP/2+xG；S——從初始位置到計(jì)算時(shí)刻的滑程；LBP——垂線間長(zhǎng)（對(duì)應(yīng)圖1中的長(zhǎng)度）； xB——以船舯為原點(diǎn)時(shí)浮心位置縱向坐標(biāo)； xG——以船舯為原點(diǎn)時(shí)重心位置縱向坐標(biāo)；B——計(jì)浮力；G——計(jì)重力。

當(dāng)式（1）不能成立時(shí)，將發(fā)生艉跌落。為保持式（1）成立，從理論上分析，可以增大B、或減小 xB、或減小G、或增大 xG，或兼而有之；減小G意味著要減少船上的安裝項(xiàng)目。增大 xG意即重心向船艏移動(dòng)，則必須在艏部加壓載重量，使所需要的艏部吃水增加，這樣在潮位不足時(shí)將導(dǎo)致另一種危險(xiǎn)——艏跌落。能使得 xB減小的措施是增加基線斜度，但收效不明顯。在一定滑程S時(shí)，浮力B=ρ?g ，其中ρ為水密度，g為重力加速度，?為排水體積。顯然，水密度ρ及重力加速度g是難以改變的，要增加浮力，需增加排水體積?。潮位升高顯然可以增加確定滑程時(shí)的排水體積，向水下延伸滑道等于是增加了潮位，也可以增加排水體積。此外，給船體加設(shè)浮箱。

艏跌落不發(fā)生的條件是，自由浮態(tài)時(shí)托架首端點(diǎn)P處的吃水 TFP小于滑道末端有效水深H，即

其中：Htide——潮位高度；Hend——滑道末端標(biāo)高；HBL——船體基線BL到滑道面的距離。

與此等效的判別條件是：船舶到達(dá)滑道末端之時(shí)或之前（ S≤ SF， SF——托架首端點(diǎn)到滑道末端的距離，即圖1中），發(fā)生事故——浮力B等于重力G，即

當(dāng)艏跌落發(fā)生時(shí)，如果艉部壓載已經(jīng)加到無(wú)以復(fù)加的程度，在艏部加設(shè)浮箱可以增加抬艏力矩從而減小艏部吃水，或者說(shuō)可以有效增加浮力，使得浮力B大于重力G。

3 浮箱下水方案計(jì)算實(shí)例及浮箱位置的分析

現(xiàn)以某2萬(wàn)t貨船為例，對(duì)加設(shè)浮箱的方案加以分析。計(jì)算時(shí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：

船舶兩柱間長(zhǎng)BPL ： 155.79m

艉柱到滑道末端距離：60m

托架尾端點(diǎn)坐標(biāo)：9.2m（以艉垂線為原點(diǎn)）

托架首端點(diǎn)坐標(biāo)： 152.7m（以艉垂線為原點(diǎn)）

船體基線到滑道面距離BLH ：0.55m

船臺(tái)斜度：1/18

潮位高度tideH ：2.2m

滑道末端標(biāo)高endH ：0m

下水重量 9400t（其中包含艉部壓載600t）

重心坐標(biāo)：（-5.895，0，10.75）（以船舯為原點(diǎn)）

下水區(qū)水密度ρ 1.02t/m3

3.1 未設(shè)置浮箱

采用邦戎曲線逐步計(jì)算間隔為0.5m滑程時(shí)的浮力及相關(guān)力矩，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)艉浮發(fā)生后，假定幾個(gè)不同縱傾值，以浮力對(duì)托架首端點(diǎn)的力矩達(dá)到與浮力對(duì)托架首端點(diǎn)的力矩相平衡為目標(biāo)條件，逐步逼近平衡條件， 可以求出每一個(gè)計(jì)算滑程時(shí)的浮力及艏艉吃水。

圖2中，M Gfp表示重力對(duì)托架首端點(diǎn)的力矩，MBfp表示浮力對(duì)托架首端點(diǎn)的力矩，M Gwe表示重力對(duì)滑道末端的力矩， MBwe表示浮力對(duì)滑道末端的力矩，G為重力，B為浮力。力和力矩均不考慮重力加速度因子，單位取為t和tm。 SF表示托架首端點(diǎn)滑過(guò)滑道末端時(shí)的滑程，定義為全滑程，即SF=，見圖1。

滑程S=40.5m時(shí)，船體開始接觸水面（對(duì)應(yīng)圖中原點(diǎn)位置），浮力產(chǎn)生，B曲線開始上升；滑程S=132m時(shí)，重心滑過(guò)滑道末端，此時(shí) MGwe= 0；滑程S=156.5m時(shí)，M Bfp曲線上升至與 MGfp曲線等高度處，船舶艉部開始浮起；滑程S在132～156.5m之間時(shí)， MBwe曲線始終位于 MGwe曲線的上方，船舶不會(huì)發(fā)生艉跌落；滑程S=SF=60+152.7=212.7m時(shí)，托架首端點(diǎn)滑過(guò)滑道的末端。由圖可以看出，此時(shí)，重力仍然大于浮力（曲線B始終位于曲線G之下），這表明船舶將發(fā)生艏跌落。

圖2 未設(shè)置浮箱時(shí)計(jì)算的浮力和力矩

在此方案中，艉部已布置壓載600t，繼續(xù)在艉部加液體或固體壓載受到局部強(qiáng)度及布置空間的制約。另外，艉浮發(fā)生在重心滑過(guò)滑道末端之后24.5m，繼續(xù)在艉部加壓載將導(dǎo)致艉跌落。而且為避免對(duì)滑道末端產(chǎn)生過(guò)大的壓力，一般希望艉浮發(fā)生在重心滑過(guò)滑道末端之前或之后不多的區(qū)域。考慮到重量重心計(jì)算上的誤差，繼續(xù)在艉部加壓載會(huì)導(dǎo)致艉跌落的風(fēng)險(xiǎn)急劇上升。

3.2 設(shè)置浮箱

浮箱左右對(duì)稱布置。浮箱與托架緊固連接，并通過(guò)托架將浮力傳遞到船體。浮箱位置的確定需考慮：浮箱應(yīng)盡可能小，以減少工裝成本，并應(yīng)保證必要的安全裕度。

在本算例中，危險(xiǎn)情形為艏跌落，因此增加的浮力應(yīng)當(dāng)位于船體舯部至船體艏部的位置。為使浮力盡可能產(chǎn)生最大的抬艏力矩，浮箱的縱向位置宜盡可能向艏端移動(dòng)。但增加的浮力效用必須發(fā)生在托架首端點(diǎn)滑過(guò)滑道末端之前，因此浮箱的縱向位置應(yīng)位于托架首端點(diǎn)之后。浮箱的高度必須低于加浮箱后全浮時(shí)的水線?？紤]到重量重心計(jì)算誤差，全浮時(shí)的滑程應(yīng)當(dāng)小于托架首端點(diǎn)滑過(guò)滑道末端時(shí)的滑程（全滑程），并留有一定裕度，本算例中取目標(biāo)裕度為全浮滑程小于全滑程5～6m。

為論證上述分析，假設(shè)浮箱中心位置分別位于X=X1=LBP/2，X=X3=SF-LBOX/2，X=X2=(X1+X3)/2三個(gè)不同位置（X值以船體艉垂線為原點(diǎn)），其中 LBOX為浮箱長(zhǎng)度。取浮箱尺寸為：長(zhǎng) LBOX=28m，寬 BBOX=6m，高 HBOX=1.2m，左右舷各一個(gè)，對(duì)稱布置。

1)浮箱 X=X1時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯?dāng)托架首端點(diǎn)滑過(guò)滑道末端時(shí)，重力G仍然大于浮力B，但浮箱的設(shè)置減小了二者的差值，起到了一定作用，但還是沒(méi)能解決艏跌落的問(wèn)題。

圖3 浮箱X=X1時(shí)的計(jì)算結(jié)果

2)浮箱 X=X2時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。當(dāng)S=210m時(shí)，B曲線上升至與G曲線平齊，船舶開始全浮，此時(shí)托架首端點(diǎn)離滑道末端尚有SF-210=2.7m，艏跌落得以避免，并略有裕度。

3)浮箱 X=X3時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。當(dāng)滑程S=207m時(shí)，B曲線上升至與G曲線平齊，船舶開始全浮。此時(shí)托架首端點(diǎn)離滑道末端尚有SF-207=5.7m，艏跌落得以避免，并留有足夠的裕度。

圖4 浮箱X=X2時(shí)的計(jì)算結(jié)果

圖5 浮箱X=X3時(shí)的計(jì)算結(jié)果

比較在不同位置設(shè)置浮箱的3個(gè)方案，可以看出，隨著浮箱向艏部移動(dòng)，艏跌落危險(xiǎn)得以減小或避免，安全裕度加大。

當(dāng)艉跌落發(fā)生時(shí)，首先可以考慮在艏部加壓載措施。當(dāng)艏部壓載無(wú)以復(fù)加時(shí)，與上述分析類似，可以考慮在艉部設(shè)置浮箱，按照與艏跌落時(shí)加設(shè)浮箱同樣的分析方法可以證明當(dāng)浮箱位置靠近艉部時(shí)其體積最小。

4 結(jié) 語(yǔ)

按照上述分析，設(shè)置浮箱以解決艏跌落或艉跌落問(wèn)題時(shí)，有以下幾點(diǎn)結(jié)論及建議：

1)存在艉跌落危險(xiǎn)時(shí)，首先考慮在艏部加壓載，至無(wú)以復(fù)加為止，仍然不能避免艉跌落時(shí)才考慮設(shè)置浮箱。浮箱靠近艉部時(shí)體積最小。

2)存在艏跌落危險(xiǎn)時(shí)，首先考慮在艉部加壓載，至無(wú)以復(fù)加為止，仍然不能避免艏跌落時(shí)才考慮設(shè)置浮箱。浮箱靠近托架首端點(diǎn)時(shí)體積最小。

3)浮箱的設(shè)置應(yīng)避免產(chǎn)生新的下水風(fēng)險(xiǎn)。如船臺(tái)墻體間距緊張時(shí)，近舯部設(shè)置浮箱將增加船臺(tái)側(cè)壁碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。艉部浮箱過(guò)大會(huì)導(dǎo)致艉浮過(guò)早從而導(dǎo)致艏部區(qū)域某些局部支反力超過(guò)船臺(tái)或船體結(jié)構(gòu)的承受能力，將導(dǎo)致船艏碰撞船臺(tái)基面。

4)為使浮箱盡可能小，浮箱的高度不應(yīng)超出加浮箱后的船體自由浮態(tài)時(shí)的水線。

浮箱的大小可以按照近似計(jì)算方法予以初步確定。艏跌落發(fā)生時(shí)，假設(shè)重力與浮力的差值為ΔB ，此時(shí)托架首端點(diǎn)處艏部吃水與自由浮態(tài)時(shí)的艏吃水的差額為ΔT，船臺(tái)斜度角為β，需留取滑程裕度為6m，則浮箱的體積?BOX應(yīng)滿足：

艉跌落發(fā)生時(shí)，假設(shè)滑出滑道1m時(shí)對(duì)滑道末端的浮力矩與重力矩的差額為MΔ，則增加的浮箱體積BOX?應(yīng)滿足：

這是假定浮箱中心位置位于托架首端點(diǎn)處或艉垂線處得出的結(jié)論，實(shí)際計(jì)算時(shí)可先按照此公式給出的體積試算，然后對(duì)浮箱大小位置進(jìn)行調(diào)整。

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