船舶纵向下水新工艺研究

ＳＨＡＮＧＨＡＩ　ＳＨＩＰＢＵＩＬＤＩＮＧ上海造船２０１１年第２期（总第８６期）　船舶纵向下水新工艺研究　李安慰　（沪东（中华）造船集团有限公司，上海２００１２９）　摘要：对低潮位时纵向船台下水的危险情形一艉跌落和艏跌落进行分析，提出设置浮箱的新工艺解决方案。并　通过实例计算验证，得出了浮箱的最佳设置位置和体积的规律，给出了浮箱体积的建议公式。　关键词：纵向船台下水；浮箱；艉跌落；艏跌落　中图分类号：Ｕ６７１．５　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００５．９９６２（２０１１）０２—００５５．０４　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ａｎａｌ￣　ｚｅｓ　ｔｈｅ　ｄａｎｇｅｒｏｕｓ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｓｈｉｐ　ｌａｕｎｃｈｉｎｇ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｓｌｉｐｗａｙ　ｄｕｒｉｎｇ　ｌｏｗ　ｔｉｄｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｎａｍｅｌｙ，ｓｔｅｍ　ｄｒｏｐｐｉｎｇ　ｏｆｆ　ａｎｄ　ｂｏｗ　ｆａｌｌｉｎｇ；ａｎｄ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａ　ｎｅｗ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｂｙ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｂｕｏｙａｎｔ　ｂｏｘｅｓ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｆｏｒ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｖｏｌｕｍｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｕｏｙａｎｔ　ｂｏｘｅｓ　ａｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｘａｍｐｌｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｌａｕｎｃｈｉｎｇ　ｆｒｏｍ　ｓｌｉｐｗａｙ；ｂｕｏｙａｎｔ　ｂｏｘ；ｓｔｅｒｎ　ｄｒｏｐｐｉｎｇ　ｏｆｆ；ｂｏｗ　ｆａｌｌｉｎｇ　１纵向船台下水的技术现状及问题　模型，对下水时船底局部强度进行了分析和计算【５Ｊ。　由静力学分析到弹性分析，再到全面的有限元法的　船舶的下水方式通常有：船坞下水、纵向船台　应用，使得下水计算越来越精确和合理了。　下水（可分为滚珠下水和牛油下水）、横向船台下水、　如何避免艏跌落或艉跌落？一般采取的措施　浮船坞下水、气囊下水、起吊下水。当前最为普遍　有：设置压载调整重心位置、改变船体基线坡度、　采用的下水方式是船坞下水和纵向船台下水。纵向　向水下延伸滑道、选择高潮位日下水【ｌ】。　船台下水通常易发生的危险情形有：艉跌落（艉弯）、　艏跌落、滑道支撑受损、船体结构受损、船艏碰撞　２　纵向船台下水的风险分析及设置　船台基面、船台侧壁碰撞、滑行冲撞障碍物【１　Ｊ。在潮　浮箱的理论基础　位过低时，避免艉跌落、艏跌落尤为艰难。　近年来，纵向船台下水的计算方法有了很大发　由于船舶艉部线性较艏部丰满，因此船舶下水　展。在传统采用的静力学方法进行计算和分析的基　时一般采取尾部先入水的方式。如果重心滑过滑道　础上，杜忠仁认为下水时船体是变刚度弹性基础上　末端之前艉部还没有浮起，当重心滑过滑道末端之　的变断面梁，通过计算得出了支墩反力沿着船长的　后如果发生浮力对滑道末端力矩小于重力对滑道　纵向分布【２１；顾永宁基于有限元法提出了纵向下水　末端力矩，将发生艉跌落。如果艉跌落得以避免，　的弹性计算方法，并通过有限元模型计算一系列滑　当艏部滑至滑道末端时船舶还没有全部浮起（亦即　行位置时船体梁的垂线受力平衡和变形协调，得出　艏部没有浮起），将会发生艏跌落。　每一个支墩反力，从而确定船舶结构内力，对下水　为避免艏跌落或艉跌落，可以采取压载调整重　全过程进行强度分析【３ｌ；卢镇光等按照船体弹性梁　心位置。有时候，这样的调整可以避免危险的发生。　思想，提出了弹性船体的支座反力计算方法，对下　但当潮位低到一定程度时，无论怎样调整重心位　水时支座反力进行分析计算　】；马骏等运用有限元　置，至少有一种危险情形——艏跌落或艉跌落将难　法结合实船总体强度的计算结果，构造船体的三维　以避免。　假设船台布置如图１所示，Ｅ为滑道末端点，　作者简介：李安慰，男，工程师，１９７７年生。上海交通大　为初始位置时的船尾端点（艉垂线），Ｃ为初始位置　学硕士研究生，现从事船舶总体设计工作。　时的船重心位置，Ｆ为艏垂线位置，尸为初始位置　收稿日期：２０１卜０卜１０　时的托架首端点，Ｑ为初始位置时的托架尾端点。　５６　上海造船２０１１年第２期　图Ｉ船台布置　不发生艉跌落的条件是：当假定船舶沿滑道下　滑（基线在艏艉位置与船台的间距保持不变）时，　始终有　Ｂ×［Ｓ一（ＥＡ＋　／２＋　口）］≥　，１、　Ｇ×【Ｓ一（ＥＡ＋　／２＋ｘＧ）］　其中：Ｓ　十　日Ｐ／２＋　；Ｓ——从初始位置到　计算时刻的滑程；　Ｐ——垂线间长（对应图１中　ＡＦ的长度）；Ｘ　——以船舯为原点时浮心位置纵　向坐标；Ｘ　——以船舯为原点时重心位置纵向坐　标；曰——计浮力；Ｇ——计重力。　当式（１）不能成立时，将发生艉跌落。为保　持式（１）成立，从理论上分析，可以增大　、或　减小　、或减小Ｇ、或增大ＸＧ，或兼而有之；减　小Ｇ意味着要减少船上的安装项目。增大Ｘ　意即　重心向船艏移动，则必须在艏部加压载重量，使所　需要的艏部吃水增加，这样在潮位不足时将导致另　一种危险——艏跌落。能使得Ｘ　减小的措施是增加　基线斜度，但收效不明显。在一定滑程　时，浮力　Ｂ＝ｐＶｇ，其中Ｐ为水密度，ｇ为重力加速度，　为排水体积。显然，水密度Ｐ及重力加速度ｇ是难　以改变的，要增加浮力，需增加排水体积　。潮位　升高显然可以增加确定滑程时的排水体积，向水下　延伸滑道等于是增加了潮位，也可以增加排水体　积。此外，给船体加设浮箱。　艏跌落不发生的条件是，自由浮态时托架首端　点Ｐ处的吃水　小于滑道末端有效水深日，即　≤Ｈ，Ｈ＝Ｈｆｉｄｅ—Ｈ　ｄ一日础　（２）　其中：日融——潮位高度；Ｈ　——滑道末端标　高；　，——船体基线脱到滑道面的距离。　与此等效的判别条件是：船舶到达滑道末端之　时或之前（Ｓ　Ｓ　，Ｓ　——托架首端点到滑道末　端的距离，即图１中　），发生事故——浮力　等　于重力Ｇ，即　Ｂ＝Ｇ　（３）　当艏跌落发生时，如果艉部压载已经加到无以　复加的程度，在艏部加设浮箱可以增加抬艏力矩从　而减小艏部吃水，或者说可以有效增加浮力，使得　浮力　大于重力Ｇ。　３　浮箱下水方案计算实例及浮箱位　置的分析　现以某２万ｔ货船为例，对加设浮箱的方案加　以分析。计算时基础数据如下：　船舶两柱问长三日Ｐ：　１５５．７９ｍ　艉柱到滑道末端距离：　６０ｍ　托架尾端点坐标：　９．２ｍ　（以艉垂线为原点）　托架首端点坐标：　１５２．７ｍ　（以艉垂线为原点）　船体基线到滑道面距离Ｈ　，：０．５５ｍ　船台斜度：　ｌ／１８　潮位高度日眦：　２．２ｍ　滑道末端标高Ｈ　：０ｍ　下水重量　９４００ｔ　（其中包含艉部压载６００ｔ）　重心坐标：　（一５．８９５，０，ｌ０．７５）　（以船舯为原点）　下水区水密度Ｐ　１．０２ｔ／ｍ　３．１未设置浮箱　采用邦戎曲线逐步计算间隔为Ｏ．５ｍ滑程时的　浮力及相关力矩，计算结果如图２所示。计算过程　中，当艉浮发生后，假定几个不同纵倾值，以浮力　对托架首端点的力矩达到与浮力对托架首端点的　力矩相平衡为目标条件，逐步逼**衡条件，　可　以求出每一个计算滑程时的浮力及艏艉吃水。　图２中，ＭＧ南表示重力对托架首端点的力矩，　表示浮力对托架首端点的力矩，ＭＧｗｅ表示重　力对滑道末端的力矩，　表示浮力对滑道末端　的力矩，Ｇ为重力，　为浮力。力和力矩均不考虑　重力加速度因子，单位取为ｔ和ｔｍ。　表示托架　首端点滑过滑道末端时的滑程，定义为全滑程，即　Ｓ，：ＥＰ，见图１。　滑程Ｓ＝４０．５ｍ时，船体开始接触水面（对应图　中原点位置），浮力产生，　曲线开始上升；滑程　李安慰：船舶纵向下水新工艺研究　５７　Ｓ＝１３２ｍ时，重心滑过滑道末端，此时ＭＧｗｅ＝０；　托架首端点滑过滑道末端之前，因此浮箱的纵向位　滑程Ｓ＝１５６．５ｍ时，ＭＢ　曲线上升至与ＭＧ南曲线　等高度处，船舶艉部开始浮起；滑程　在　１３２－１５６．５ｍ之间时，　曲线始终位于ＭＧｗｅ曲　线的上方，船舶不会发生艉跌落；滑程　置应位于托架首端点之后。浮箱的高度必须低于加　浮箱后全浮时的水线。考虑到重量重心计算误差，　全浮时的滑程应当小于托架首端点滑过滑道末端　时的滑程（全滑程），并留有一定裕度，本算例中　＝Ｓ　＝６０＋１５２．７＝２１２．７ｍ时，托架首端点滑过滑　道的末端。由图可以看出，此时，重力仍然大于浮　力（曲线　始终位于曲线Ｇ之下），这表明船舶将　发生艏跌落。　＾　量　＼　－Ｒ　１００　１５０　２００ＳＦ　滑程／ｎｌ　图２未设置浮箱时计算的浮力和力矩　在此方案中，艉部已布置压载６００ｔ，继续在艉　部加液体或固体压载受到局部强度及布置空间的　制约。另外，艉浮发生在重心滑过滑道末端之后　２４．５　ｍ，继续在艉部加压载将导致艉跌落。而且为　避免对滑道末端产生过大的压力，一般希望艉浮发　生在重心滑过滑道末端之前或之后不多的区域。考　虑到重量重心计算上的误差，继续在艉部加压载会　导致艉跌落的风险急剧上升。　３．２设置浮箱　浮箱左右对称布置。浮箱与托架紧固连接，并　通过托架将浮力传递到船体。浮箱位置的确定需考　虑：浮箱应尽可能小，以减少工装成本，并应保证　必要的安全裕度。　在本算例中，危险情形为艏跌落，因此增加的　浮力应当位于船体舯部至船体艏部的位置。为使浮　力尽可能产生最大的抬艏力矩，浮箱的纵向位置宜　尽可能向艏端移动。但增加的浮力效用必须发生在　取目标裕度为全浮滑程小于全滑程５－６ｍ。　为论证上述分析，假设浮箱中心位置分别位于　Ｘ＝Ｘ　＝ＬＢＰ｜２，Ｘ＝Ｘ　＝ＳＦ—ＬＢａｘ｝２，Ｘ＝Ｘ２　＝（Ｘ　＋　）／２三个不同位置（Ｘ值以船体艉垂线　为原点），其中　０　为浮箱长度。取浮箱尺寸为：　长￡　２８ｍ，宽Ｂ口　＝６ｍ，高　Ｂ　＝１．２ｍ，左　右舷各一个，对称布置。　１）浮箱Ｘ：Ｘ　时，计算结果如图３所示。可　以看出，当托架首端点滑过滑道末端时，重力Ｇ仍　然大于浮力　，但浮箱的设置减小了二者的差值，　起到了一定作用，但还是没能解决艏跌落的问题。　Ｒ　量　、　图３浮￣Ｘ＝Ｘ１时的计算结果　２）浮箱Ｘ＝Ｘ，时，计算结果如图４所示。当　Ｓ＝２１０ｍ时，　曲线上升至与Ｇ曲线平齐，船舶开　始全浮，此时托架首端点离滑道末端尚有　Ｓ　一２１０＝２．７ｍ，艏跌落得以避免，并略有裕度。　３）浮箱　＝　时，计算结果如图５所示。当　滑程Ｓ＝２０７ｍ时，　曲线上升至与Ｇ曲线平齐，船　舶开始全浮。此时托架首端点离滑道末端尚有　Ｓ　一２０７＝５．７ｍ，艏跌落得以避免，并留有足够的　裕度。　５８　上海造船２０１１年第２期　－　量　＼　－Ｒ　５Ｏ　１００　ｌ５０　滑程／ｍ　图４浮￣ｉＸ＝Ｘ２时的计算结果　。Ｒ　－　量　＼　５０　１ＯＯ　１５Ｏ　滑程／ｌ＇ｎ　图５浮￣Ｘ＝Ｘ３时的计算结果　比较在不同位置设置浮箱的３个方案，可以看　出，随着浮箱向艏部移动，艏跌落危险得以减小或　避免，安全裕度加大。　当艉跌落发生时，首先可以考虑在艏部加压载　措施。当艏部压载无以复加时，与上述分析类似，　可以考虑在艉部设置浮箱，按照与艏跌落时加设浮　箱同样的分析方法可以证明当浮箱位置靠近艉部　时其体积最小。　４结语　按照上述分析，设置浮箱以解决艏跌落或艉跌　落问题时，有以下几点结论及建议：　１）存在艉跌落危险时，首先考虑在艏部加压　载，至无以复加为止，仍然不能避免艉跌落时才考　虑设置浮箱。浮箱靠近艉部时体积最小。　２）存在艏跌落危险时，首先考虑在艉部加压　载，至无以复加为止，仍然不能避免艏跌落时才考　虑设置浮箱。浮箱靠近托架首端点时体积最小。　３１浮箱的设置应避免产生新的下水风险。如船　台墙体间距紧张时，近舯部设置浮箱将增加船台侧　壁碰撞的风险。艉部浮箱过大会导致艉浮过早从而　导致艏部区域某些局部支反力超过船台或船体结　构的承受能力，将导致船艏碰撞船台基面。　４１为使浮箱尽可能小，浮箱的高度不应超出加　浮箱后的船体自由浮态时的水线。　浮箱的大小可以按照近似计算方法予以初步　确定。艏跌落发生时，假设重力与浮力的差值为　ＡＢ，此时托架首端点处艏部吃水与自由浮态时的　艏吃水的差额为△　，船台斜度角为　，需留取滑　程裕度为６ｍ，则浮箱的体积Ｖ　应满足：　Ｂ　≥　（　＋１）／　（４）　△』　艉跌落发生时，假设滑出滑道１　ｍ时对滑道末　端的浮力矩与重力矩的差额为△　，则增加的浮箱　体积Ｖ　应满足：　ｐＶ￣ｏｘ‘　ＢＰ／２　△』　（５）　这是假定浮箱中心位置位于托架首端点处或　艉垂线处得出的结论，实际计算时可先按照此公式　给出的体积试算，然后对浮箱大小位置进行调整。　【参考文献】　［１】盛振邦，杨尚荣，陈雪深．船舶静力学（修订本）［Ｍ】．　北京：国防工业出版社，１９８４．　【２］杜忠仁．船舶下水时船底部结构受损分析实例［Ｊ］．造　船技术，１９９２，（２）：２７．３２．　【３］顾永宁．船舶纵向下水弹性计算方法和结构安全性［Ｊ］．　上海交通大学学报，１９９６，（１０）：１０６—１１２．　［４】卢镇光，束长庚．船舶纵向下水试验及支座反力的计算　［Ｊ］．中国造船，１９９６，（１）：５３—５８．　【５］马骏，邢金有，熊家敏．船舶下水底部局部强度分析　［Ｊ］．造船技术，１９９８，（５）：３－５．