大型公务船尾部墩木布置研究

詹 蓉刘新宇

（1. 上海交通大学 船舶与海洋建筑工程学院 上海200240 ；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

大型公务船尾部墩木布置研究

詹 蓉1,2刘新宇2

（1. 上海交通大学 船舶与海洋建筑工程学院 上海200240 ；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

文章研究了在船台上轴系对中时，某大型公务船尾部分水踵下墩木布置方案。采用有限元法，对比分析了不同边界条件下计算结果的差异性，讨论了尾部墩木布置的数目以及材料特性对墩木强度和船体尾部变形的影响。计算结果表明：在合适的位置适当增加尾部墩木数量有利于支反力的均匀分布；而提高尾部墩木的刚度有利于船体尾部的变形控制。根据计算结果提出优化的墩木布置原则，以保证建造过程中船体结构和墩木的安全。

大型公务船；分水踵；边界条件；墩木强度

引 言

大型公务船在船台建造过程中，船体下方设置有多个墩木，设计墩木数量、位置等需要保证船体建造安全。对于设置有分水踵的大型公务船，考虑到尾部线型变化剧烈，分水踵所在的尾部区域的悬臂部分较重，除在分水踵下方设置墩木支撑外，分水踵两侧和尾部悬臂部分也要设置高墩对船底予以支撑，以保证船体建造安全。然而，在轴系对中定位时，根据相关规范标准要求［1］，须拆除船体尾部临时托架（即尾部及两侧的高墩），仅保留分水踵处墩木，参见图1。因此研究尾部墩木的布置方案，以保证分水踵结构及墩木的强度十分重要。

1 研究内容

本文旨在研究公务船尾部区域分水踵下墩木的布置方案。鉴于墩木主要承受船体自重产生的垂向静力载荷，经试算发现，当墩木在平底线范围内均布时，在船舯（船长方向）处满足平断面假设，且转角几乎为零。故为简化计算模型，截取后1/2船长范围内船体为研究对象。在计算过程中简化墩木模型，不考虑墩木钢架及船台的变形，假定其为刚性，只考虑中间墩木的变形及其受力［2］。

主要研究内容如下：

（1）不同边界条件下计算结果分析比较；

（2）不同布置方案分析：增加墩木数量，更改墩木材料；

（3）研究控制支反力分布和控制船体底部变形的布置原则。

2 有限元模型

计算采用有限元软件ABACUS完成。三维模型取后1/2船长范围，船体的板结构采用四边形单元或三角形单元模拟；所有纵桁、强横梁、骨材及加强筋等构件采用带有弯曲刚度的偏心梁单元模拟，网格大小为骨材间距。较大舾装件及压载水、油水质量由质量棒模拟，一些未建模的构件通过调整相应的单元密度或者增加质量点模拟。模型如图2所示。

3 墩木的位置

墩木的位置按照从尾部往首编号1-17。受小车布置位置的影响，尾部小车布置位置必须设置墩木，中间可增设墩木位置编号为1、3、4、5、7、8、9，如图3所示。

4 不同边界条件计算分析对比

在计算墩木反力时，通常采用弹性基础梁理论，将墩木简化成一系列离散的弹性支座。有时为计算方便，也会直接将墩木所在位置视为简支边界条件，通过计算支点处的支反力来校核墩木强度。随着有限元技术的发展，也可采用实体单元直接模拟墩木，通过接触非线性有限元分析计算受力和变形也广泛应用于弹性基座的强度校核之中［3］。

针对目标船的有限元模型，对底部边界分别按照简支、弹簧单元和实体单元进行模拟，对其支座处的支反力及船体变形等情况进行计算。为增加对比的精度，考虑将整个分水踵底部编号位置铺满墩木。主要考虑尾部支反力计算情况和变形情况，截取前14块墩木的支反力计算结果见图4，底部变形曲线如图5所示。

由上述计算结果可以得出以下结论：

（1）简单地将墩木所在位置视为简支边界条件的简化计算方法在具有悬臂结构特征的船体墩木支反力计算中，结果失真比较严重。计算所得最大支反力几乎是弹簧单元/实体单元模拟墩木条件下计算结果的3倍，这样的简化方法在工程实践中不应采用。

（2）由于用实体单元模拟墩木采用的是非线性求解，能够体现单块楞木内的变形及应力分布，因此能更准确反映墩木的受力变形情况。

（3）墩木用弹簧单元模拟和实体单元模拟，支反力计算结果比较接近，误差小于5%，说明用简化的弹簧边界初步计算墩木支反力的结果较为可靠。

（4）简支边界无法反映船体实际变形情况，多数情况下不适用。墩木用实体单元模拟与用弹簧单元模拟相比计算变形略大，且自尾部往前开始收敛，两者相差不多；对于墩木支反力、墩木强度计算而言，用弹簧单元进行模拟的计算结果精度足以应用于工程实践中，计算工作量也相对较小。

5 不同墩木布置方案的计算分析对比

为获得更精确的计算结果，以下研究中墩木均采用实体单元进行模拟计算。为研究墩木的支反力及变形情况，考虑下述布置方案。

5.1 增加墩木数量方案

由于尾部悬臂结构较重，为减小尾部墩木的支反力，避免墩木破坏，可以适当增加尾部的墩木数量。为尽量节省墩木的数量，考虑从尾部依次按照可布置墩木的位置，增加编号1、3、4…，直至墩木的支反力满足墩木的设计载荷为止。各墩木支反力计算结果如图6所示，尾部分水踵底部变形曲线如下页图7所示，支反力总和的变化曲线如图8所示。

由上述计算结果可见，在增加尾部墩木数量的过程呈现以下趋势：

（1）随着尾部墩木数量的增加，支反力变化趋于平缓。但是，支反力总量却向尾部集中，对船体局部强度可能不利；

（2）增加尾部墩木数量会逐步减小尾部变形。

5.2 更改墩木材料方案

船厂墩木的材料通常为松木和硬木两种，具体参数见“GJB/Z203—2001”《舰艇坐坞船体结构强度计算方法》中的龙骨墩材料特性表格［4］，参见表1。

表1 龙骨墩材料特性表

为进一步研究墩木材料特性与支反力及变形的关系，在上述增加4块墩木的基础上，逐渐增加尾部墩木的材料弹性模量，具体做法是逐个将墩木材料由松木更改为硬木。各个墩木支反力计算结果如图9所示，尾部分水踵底部变形曲线如图10所示，支反力总和的变化曲线如图11所示。

由上述计算结果可见，在增加尾部墩木弹性模量的过程呈现了以下趋势：

（1）随着尾部墩木弹性模量的增加，较大弹性模量墩木的支反力显著增加。支反力总量向尾部集中的幅度较大，对船体尾部局部强度不利。

（2）随着尾部墩木弹性模量的增加，船体尾部变形显著减小。

由于硬木和软木的许用应力方面的差别，上述结果中墩木支反力随墩木刚度的增加而增加，但未必能说明需要增加墩木接触面积（墩木材料）。墩木最小接触面积=支反力/墩木许用应力，因此将支反力与许用应力的比值进行对比分析，结果如图12所示。

由上述计算结果可见，当硬木的布置数量增加到一定程度，使用硬木的墩木面积则小于使用松木的面积。在船体结构强度允许的情况下，使用数量较少的硬木就能更好承受船体质量，并控制尾部悬臂部分结构的变形，这对于分水踵这种底部只有少量平底支撑面积的结构来说是有利的。

6 墩木布置原则研究

根据上述计算方案对比和研究，对于尾部悬臂结构部分较重的船型，可以总结以下布置原则：

一般情况下，在可接受的船体弯曲变形情况下，尾部区域应尽量采用刚度较小的松木，将支反力更多沿船长方向均匀分布，这样对船体结构安全有利。

对于需要控制船体变形的情况，应考虑在最尾端连续布置适当数量的硬木墩木，具体数量可以通过计算最小接触面积得到；同时为分摊船体尾端结构受力，向船首继续适当增加松木墩木的数量，在无集中质量分布的船舯区域墩木的数量可逐渐减少。由于按此会引起尾部支反力增大，应注意对尾部结构强度的校核。

而对于尾部结构强度和刚度较弱的船，应适当减弱尾部墩木的刚度，不应在尾部增设硬木墩木，避免造成结构破坏。应考虑尽量增加尾部墩木的数量以分散结构的受力点，满足尾部与墩木接触区域结构的强度要求。

对于目标船而言，基于船厂建造的实际情况，由于分水踵底部与建造基线平齐，船厂建造中并不希望船体底部有太大的变形，且由于轴系较中是一种临时状态，船体变形太大可能对后续建造产生不良影响。

而且目标船分水踵最尾端的底部在设计时进行适当加强，经过计算发现分水踵完全可以承受较大的墩木支反力。目标船在建造中按照上述基本原则布置墩木，经过计算和实践验证，船体强度、墩木强度均得到保证，且船体变形也得到控制，达到良好效果。

7 结 论

本文研究某大型公务船尾部墩木的布置方案，采用不同方法计算墩木支反力和变形，指出用弹簧单元模拟墩木在工程应用的合理性。详细比较尾部不同墩木布置方案的受力和变形特点，总结尾部悬臂区域的墩木布置原则，并基于此原则对目标船进行墩木布置，实船通过安全性检验。

［1］ 中国船舶工业总公司. CB/T 4000-2005 中国造船质量标准［S］. 2005.

［2］ 周上然.简述墩木变形与反力的计算方法［J］.上海船舶运输科学研究所学报，2016（1）：16-20.

［3］ 庄茁. ABAQUS非线性有限元分析与实例［M ］. 北京：科学出版社， 2005.

［4］ 国防科学技术工业委员会. GJB/Z203-2001 舰艇坐坞船体结构强度计算方法［S］. 2001.

On layout of docking blocks for stern of large official vessellarge official vessel

ZHAN Rong1,2LIU Xin-yu2
(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

In this paper, the layout of the docking blocks for the deadwood at the stern of a large official vessel is studied when the ship is aligning the shaft on the shipway. The results under the dif f erent boundary conditions are compared and analyzed by the fi nite element method. It discusses the inf l uence of the number and the material properties of the docking blocks on the strength of the docking blocks and the deformation of the stern. The calculation results show that the increase of the number of the docking blocks will benef i t the uniform distribution of the reaction force, and the increase of the stif f ness of the stern docking blocks will benef i t the deformation control of the stern. The arrangement principle of the docking blocks is optimized according to the calculation results, in order to ensure the safety of the hull structure and the docking blocks during the ship construction.

large official vessel; deadwood; boundary conditions; docking blocks strength

U661.4

A

1001-9855（2017）04-0053-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.04.053

2016-12-26；

2017-01-20

詹 蓉（1986-），男，工程师。研究方向：船舶结构设计与研究。

刘新宇（1991-），男，硕士，工程师。研究方向：船舶结构设计与研究。