海安线客滚船下水计算及加强措施

王　亮　谢石昌

(1.广船国际技术中心;　2.广州红帆电脑科技有限公司)

海安线客滚船下水计算及加强措施

王亮1谢石昌2

(1.广船国际技术中心;2.广州红帆电脑科技有限公司)

本文简述了船舶下水计算的方法及其原理，对下水过程进行了力学分析，以海安线客滚船为例，根据计算分析的结果，采用了一系列的加强措施，并说明了各项措施的力学理论依据，重点详细介绍了一种新的加强手段。

客滚船下水计算有限元加强首垫木预离空法

0　前言

46车/999客客滚船是广船国际为海南海峡航运股份有限公司建造的国内沿海航区、航行于海口-海安或类似航线的承载旅客、小汽车、载重汽车和集装箱拖车的客/车滚装船。

本船设计为钢质船体、直列中速柴油机驱动、双机、双桨、双舵、前倾艏柱、球鼻艏、方艉、轴支架和流线型悬挂舵，机舱设在艉部，并设有艏侧推，减摇鳍。本船在船台建造并下水，与常规货船相比，本船具有丰满的上层建筑，重心位置相对靠前；艏艉线型非常消瘦，平底区域面积小，下水时艏艉都大量使用下水横梁；船长相对较短；底部肋板高度小、开孔多、板厚薄。这些因素都不利于下水过程中船底承受来自滑道的支反力。

1　下水计算方法

为了准确计算出本船在船台下水时，所有船体结构、下水工装在下水过程中的受力状态和应力分布随时间变化的具体情况，本文采用一系列的方法和手段，等效、简化实际状态为较简洁的力学模型，然后借助多款软件来实现复杂的计算。

由于滑道摩擦力、水阻力沿船体纵向作用，对于船体垂向变形几乎没有影响。因此在强度计算时可以忽略不计。可以认为船体梁在下水过程中的任意时刻或位置处，都在重力、浮力和支墩反力的共同作用下保持平衡，因此本文在静力学的范畴内分析和处理问题。

将船简化为一根多个节点的弹性连续梁，一个肋位为一个节点，在每个节点上存在浮力、重力和墩的支持力。将墩简化为一个弹簧，使用非线性迭代计算法，对弹簧和梁间的接触进行调整，实现各作用力间的平衡、船体结构变形与支墩接触的协调、墩变形与支反力的协调，得到墩反力的准确分布。如果滑道末端支墩脱离船底，即船艉已经起浮，此时需要调整艉吃水，找到一个满足上述平衡与协调的艉吃水数据，以实现在正确浮态下的平衡与协调。通过这一计算能够得到船底所有墩木的支反力，结合浮力和重力的分布情况，可以求出船体梁的弯矩和剪力。

上述计算过程由软件SEACAL来完成，通过这一步的计算，获得了船体梁各截面弯矩和剪力的分布情况，因此可以校核其总强度是否能满足要求。但通常而言，船舶下水时船体梁的最大总纵弯矩和剪力远小于其设计许用值。通过软件计算同时还得到了所有各支墩反力，建立一个区域有限元模型，将各支墩反力施加到模型上就可以算出船体结构在支墩反力作用下的应力及变形量，由此可以判断船体的局部强度是否足够，如果强度不够，结合实际情况制定加强措施，并重新用有限元软件来验证效果，再根据计算的结果来进行优化设计。

对于一些艏艉线型消瘦的船舶，下水时通常会在由于线型太瘦而使外板难以与滑道接触的位置使用下水横梁，而横梁都有其最大的许用载荷，在计算出各支墩反力后，对比各横梁的许用载荷，若某处横梁承受的载荷大于其许用载荷，那么就要替换成更大规格的横梁或是采取其他有效措施，务必保证每一根横梁承受的最大实际载荷不超过其最大许用载荷。

上述船舶船台下水计算方法在我司已经使用多年，先后在505/523系列、39000系列、48000系列、中海客滚船以及数型军辅船等数十条船上应用，实际效果非常理想，充分说明这一方法安全有效，而且根据计算的结果来制订有针对性的加强措施，简化了下水工程的工作量，缩短相关工期，节约成本，经济性很好。

2　下水力学分析及计算结果

2.1力学分析

在下水过程中整个体系的受力分析如下：

船刚开始下滑时，船体外板尚未与水面接触，浮力为零，各支墩反力与未下滑时相同，此时由于艉部有相当长的一部分船体结构下面没有支墩，这一部分结构的重力通过船体梁往前传递，导致最后的几根横梁受力较大，待艉部与水面接触后，艉部产生浮力，艉部的浮力增加而重力不变，因此艉部的支墩反力将从开始入水起不断变小，所以艉部支墩的最大反力出现在艉部尚未入水前，并一直保持到入水瞬间才开始变小。

船体继续下滑到一定程度时，艉部的浮力大于其重力，此时艉部开始起浮，但船体及支墩均为弹性结构，船体底部的支墩将逐个脱离滑道，如果滑道够长，没有出现艉弯，那么基本上支墩从最艉部逐个向前发生脱离，如果出现艉弯现象，那么从船中开始脱离，最终艉部浮起，随着艉部起浮，船底基线与船台间的夹角不断变大，艏部的支墩依然继续逐个往前脱离，随着艏部支墩数量的迅速减少，而浮力的增加相对较慢，导致艏部支墩的反力迅速提高。艏部支墩减少到一定程度后，船底与滑道的接触长度较短，虽然基线与船台的夹角持续增大，但由于支墩系统及船体本身具有一定弹性，且接触长度已经很短，艏部支墩减少速度越来越慢，整船进入一个相对较稳定的阶段，在这一阶段内，整船所受的浮力持续增加，艏部单个支墩的最大反力将按从后往前的顺序逐个出现。最终浮力增加的影响大过支墩减少的影响，支墩反力回落，当艏部吃水达到空船吃水时，船与滑道间完全脱离接触，进入漂浮状态并在惯性作用下继续滑行，最终由于水阻力而停止运动。

2.2反力计算结果

根据本船的实际参数，使用软件SEACAL算出的初步结果见表1。

表1　加强前各支撑点最大反力表

可以看出SEACAL计算出的结果与力学分析的结果是一致的。由于本船下水状态时空船首吃水约为3m，滑道与船体基线间的距离约为0.95m，因此下水时，滑道末端的水深至少要达到3.95m才能避免出现艏跌落现象。海安线客滚船一共有两条，一条在2号船台建造，另一条在3号船台建造。0潮位时，2号船台滑道末端水深3.56m，潮高超过0.4m即可下水，但3号船台滑道末端水深只有1.85m，潮高必须超过2.1m才能下水。考虑到动态过程中浮力延迟，最低潮位要求还需提高。但实际可预期的潮高只有2m，因此需要调整下水状态时的艏吃水。

2.3有限元计算结果及分析

初步计算结果表明，FR135位置处最大支反力868t，将此力施加到有限元模型中，得到的应力数据如图2。

图1　有限元模型（左侧外板已隐藏）

图2　船体结构应力分布

结果显示艏部支墩FR135处的船体结构应力较大，此处肋板上开孔太多，板厚小都是产生高应力的原因，而且由于开孔多，板厚薄，会导致整个结构的稳定性不足，许用压应力较低。在巨大压力下开孔的自由边处极易发生失稳，一旦部分结构失稳，失稳部分不能再有效承受压力，将使未失稳部分的压应力增加，可能引起失稳区域扩大，造成大面积的严重破坏。

另外，艏部FR135处横梁的许用载荷为500t，而计算出来的支墩反力超过800t，横梁将被压垮，多余的载荷传递到附近横梁上，附近的横梁可能因此而超载，也被压垮。

3　加强方案

结合实际情况，综合考虑后，制订了如下加强方案：

⑴下水前将第五压载舱打满，第五压载舱位于FR11到FR22之间，舱容约250m2；

⑵在FR136+300，FR139+300处各增加一条承载能力为5 0 0t的横梁，在FR28+413处增加一条承载能力为300t以上的横梁；

⑶船体内部结构板厚增加，下水前封掉部分人孔；

⑷下水前，艏部其他横梁与船底之间的垫木按常规安装，FR136+300处横梁上的垫木高度在正常安装的基础上减少10mm，FR139+300处横梁的垫木高度在正常安装的基础上少30mm。

第⑴条的作用是调整整船的重心位置，当重心位置往后移时，由于艉部重量增加，导致艉浮较晚，艉浮时，艏吃水相对变大，浮力有所增加，从而使支反力变小。同时重心后移将导致全浮时船底基线与滑道间的夹角变小，艏吃水相对变小，避免艏跌，另外艏部与滑道的接触面积变大，减缓了应力集中现象。但此法将导致艉部的受力状况变得相对恶劣，因此要根据实际情况，酌情使用。

第⑵条的作用是增加危险区域的支墩数量，将危险区域的支墩反力摊薄，从而降低风险。

海洋公园是海洋特别保护区的一种类型，为保护海洋生态系统、自然文化景观，发挥其生态旅游功能，在特殊海洋生态景观、历史文化遗迹、独特地质地貌景观及其周边海域划定的区域[2]。在选择和确定海洋公园时，海洋公园评价标准判断其优劣、取舍以及保护价值、等级。国家级海洋公园研究报道常见，如评审标准[3]、制度建设研究[4]、生态保护目标[5]等，而针对省级海洋公园尚少。本文以浙江省为例，突出和体现省级海洋公园特色，确保新建和晋级省级海洋公园质量，参考国家级海洋公园[3]、自然保护区[6，7]、国家地质公园[8]等标准体系，进行省级海洋公园评价标准指标体系研究。

第⑶条的作用是增强船体结构的强度，使其可以承受更大的支墩反力。

第⑷条作为一个非常规的，正在探索、研究、考察和总结中的新方法，暂可称之为艏垫木预离空法，本文将作重点介绍，这一方法最早提出和使用是在2010年中海客滚船下水时，中海客滚船一共4条，全部由2号船台下水，事实证明这一方法安全有效而且经济性较好。

4　艏垫木预离空法

4.1理论依据

艏垫木预离空法的理论依据如下：

假设所有支撑点均匀分布且高度、大小和刚度相同，所有结构及下水装置均为线弹性材料，艉浮后当艏部只剩少数几个支撑点时忽略船体梁的总体变形对支撑点压力分布的影响，船底的局部压缩变形计入到支撑点的压缩量内。

当船艉浮以后，船与滑道间的夹角不断变大，由于整个支撑系统的弹性较小，夹角增大时，艏部与滑道间的接触长度不断减少，能够有效承压的支撑点（有横梁处的肋板）变少，而且由于夹角的存在，最前端的支撑处的压缩量最大，往后依次减少，压缩量与压力成正比关系，导致首支点压力巨大，而稍微往后一点的支点处压力减少很多，压力分布不均匀，在某一确定的时刻，接触长度范围内前半部分的支撑点压力大于平均压力，而后半部分小于平均压力，使得靠前的支撑点负荷很大，甚至超过了结构和下水装置（下水横梁、垫木等）的承载能力，而后边的支撑点负荷很低，不能充分地发挥它的承载能力，为改变这种局面，可以从支撑点的压缩量和夹角间的关系入手，如果可以在某一特定夹角时，做到各支撑点的压缩量相同。那么就可以使得各支撑点的负荷相同，不会再出现首支点的压力峰值，而是所有支撑点均摊压力。

要使各支撑点压缩量一致，可以将墩木的高度按基线与滑道间的距离差值来设置，假设某一夹角时，A支撑点处滑道和基线间距离为L，B点为L-DL,那么设置墩木时，可将B点墩木的高度设为比A点墩木矮DL，由于DL与L相比属于高阶小量，墩木高度减少DL对B点支撑刚度的影响可以忽略不计，A点和B点刚度相同，压缩量相同，负荷必然相同，这就达到了均匀承载的目的，如图3所示，DL的大小等于A、B两点间距离乘tg@（假设船底与滑道间的夹角为@），考虑多个支撑点时，方法及原理相同。

图3　原理示意图

4.2实际操作方法

实际上，船底基线与滑道间的夹角@一直在变化中，任何针对某一固定夹角而设置的墩木高度差只在@等于设计角度时保证墩木均匀受压，当@稍大或是稍小的时候，其作用会被削弱，当夹角小于@时，靠前的墩木受力小于平均值，靠后的墩木受力大于平均值，当夹角大于@时，墩木受力分布相反。

高度差的施放只适合在最艏段的几个墩木上实行，（当支撑墩木较多时，虽然他们受力不均，但受力最大的墩木实际负荷并不是很大，当墩木少到一定程度时，虽然总压力有所下降，但能分摊压力的墩木太少加上受力不均，出现个别墩木负荷很大时，采用此法才有意义）但从没有施放高度差到有施放高度差之间有一个过渡区间，而且在@增大的过程中，总压力持续减少，墩木数量跳跃性减少，每个支撑点的承载能力也并不一定相同，工程实际关心的是单个墩木处的峰值大小，情况非常复杂，为了达到最佳的效果，经实船的大量计算验证和总结，得出了较好的设计夹角选取方法，下面以本船为例进行说明。

以初步计算中艏部最危险的横梁出现最大压力时的夹角或首支点出现最大压力时的夹角作为参考计算出对应的高度差值，从施工精度和方便考虑，尽量使方案中的施放的高度差为整数并有规律。在此@的基础上按某一步长进行增减，再制订数个方案，步长的设定根据实际情况来定，需要考虑各支撑点刚度不同的影响。

采用迭代计算的方法，按设定的数个高度差施放方案，按照不同的滑程一一计算修正，然后根据结果选取其中效果最理想的作为最终方案。

本船采用这一措施后的修正验算方法如下：

以#137作为首支点，在第五压载舱打满压载水的条件下，使用SEACAL软件重新计算尾浮后艏部重点关注位置处和滑程区间的数个支撑点在不同滑程时承受的压力。然后对各个滑程所对应的支撑点进行压力修正。对于某一滑程，根据其艏部总压力和支撑点数量和刚度和高度进行压力重新分配，各点受压后顶点连线与船基线重合，即斜率相同，各点的压缩量乘其刚度为所承受的压力，各点压力之和与修正前相同，由此可列出方程组求解，但支撑点存在减少和增加的可能（接触非线性），如果解出有压缩量为负值的，剔除对应支撑重新求解，如果有压缩量大于前端认为尚未接触的支撑点所放的高度差，那就需要多计入一个支撑点。

一般只有艏部3-4个支撑点会承受较大压力，且刚度相近，那么可以把某个支撑点由于放了高度差而卸载掉的载荷重新分配，此法计算工作量较少，精度也能满足实际需要。

本船相关计算数据见表2。

很显然，采用此法后，首支点压力大幅度下降，对船体结构、下水装置、滑道等的要求明显降低，对确保下水安全起到关键作用。

表2　艏部支撑点压力修正

5　结束语

所有措施到位后，艏部下水横梁的最大载荷由868t下降到415t，确保了海安线客滚船顺利安全下水。本船下水虽然有很多的不利因素，但由于船台下水而产生的额外成本却相对较少，这主要由于措施制订得当，相关工作介入及时以及新方法的使用，这一方法对于艏支点反力过大非常有效，最多可降低50%以上，其它常规方法不过10%-20%，且不附带任何负面影响，目前已经得到两种型号多条船的实际验证，既能缩短工期又节约成本，而且安全高效，值得推广。

10.3969/j.issn.2095-4506.2016.01.001

王亮：（1984--），男，工程师，船舶结构设计。

谢石昌：（1986--），男，助理工程师，船舶结构设计。

（2015-7-9）