船舶氣囊下水靜力學(xué)計(jì)算與結(jié)構(gòu)分析

永泰長榮

船舶是一種運(yùn)動(dòng)的大型鋼結(jié)構(gòu)，船舶下水是將船舶從建造船臺(tái)上

移至水域的過程。氣囊下水是一項(xiàng)我國獨(dú)創(chuàng)的新型下水技術(shù)，主要依

靠著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，幾乎未進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)的研究，主要是靠經(jīng)驗(yàn)

操作，因而事故頻發(fā)。研究氣囊下水運(yùn)動(dòng)過程中的力學(xué)問題，以及下 水過程中船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)船舶氣囊下水的安全性作出準(zhǔn)確的評(píng)

估，有重要社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

本文編制了氣囊下水的靜力學(xué)計(jì)算程序，結(jié)合實(shí)船進(jìn)行了相關(guān)的

計(jì)算，并且對(duì)船體做了結(jié)構(gòu)分析。主要工作包括：

(1)對(duì)船舶氣囊下水過程進(jìn)行了靜力學(xué)分析。

(2)使用 VC++編制了靜力學(xué)計(jì)算程序，通過對(duì)五條實(shí)測船舶的

計(jì)算和對(duì)比，驗(yàn)證程序的準(zhǔn)確性。

(3)在前面靜力學(xué)程序計(jì)算基礎(chǔ)上，根據(jù)計(jì)算出的載荷對(duì)其中兩

條船舶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算。

(4)分析了船舶氣囊下水的影響因素，提出了船臺(tái)改造的方案。

結(jié)果計(jì)算和結(jié)構(gòu)分析表明，船舶在滿足一定的條件下，可以采用 氣囊安全下水；適當(dāng)?shù)母脑齑_(tái)，可以改善氣囊下水的安全性。本文

的計(jì)算結(jié)果可為今后更加合理地進(jìn)行氣囊下水方案布置提供依據(jù)工作的核心思想。

關(guān)鍵詞：氣囊下水，有限元法， VC++,船臺(tái)改造，靜力學(xué)分析

Ship Launching on Air-bag is a new launch technique of original creation of our  country,which has a simple process and with no fixed slide tracks.The advantage of Ship Launching on Air-bag lies in many aspects,such as investment saving,high  efficiency  and  flexible,and  contributes  a  lot  to  the  development  of  small  and  medium-sized  ship  enterprises.Ship  Launching  on  Air-bag  is  a  newly  applied  technique and with no clear standard,so that it mainly relies on practice operations  and leads to frequent accidents.Doing researches on mechanics and ship structure  intensity of the whole motion procedure,making accurate evaluations of its safety are  of great significance and economic value.

This paper drew up statics calculating programs of Ship Launching on Air-bag  and did both related calculations and structure analysis of using actual ship examples. The main works of the paper is included in the parts below:

1.Statics analysis of Ship Launching on Air-bag process is made.

2.Statics calculating programs is drew up by using VC++,and verifying the accuracy by comparing 5 actual measured ships.

3.Finite element of 2 ships is calculated among them according to results of loading on the basis of static calculation.

4.The influencing factors of Ship Launching on Air-bag is analyze and proposals of slipway transformation are raised.

The results  of the  calculation  and  structure  analysis  shows  that  on  certain  conditions ship can adopt airbag to make safe Launching,and the safety of ShipLaunching  on Air-bag  can be  improved by  appropriate  transformation.The  conclusion of this paper may offer working basis and trains of thought of much more reasonable Ship Launching on Air-bag proposals.

  船舶是一種運(yùn)動(dòng)的大型鋼結(jié)構(gòu)。船舶下水是在船舶建造工程大部分完工之 后，將船從建造船臺(tái)上移至水域的工藝建造過程，因此，船舶下水是船舶建造過 程中最為重要的工序之一。船舶下水具有危險(xiǎn)性，如稍有疏忽，會(huì)造成重大的損 失。長期以來，人們對(duì)船舶的下水作業(yè)十分重視，為此做了大量的研究工作，并 創(chuàng)造了多種船舶下水的方法。如：滑道式下水、軌道式下水、塢內(nèi)下水等等"。

氣囊下水是指以起重氣囊和滾動(dòng)氣囊為主要工具，將船舶承托在氣囊上，從 修、造場地移入水域的下水方法。利用氣囊的低充氣壓力、大承載面積以及大變 形后仍容易滾動(dòng)的特點(diǎn)，先用起重氣囊將船舶從墩木上抬起，擱置于滾動(dòng)氣囊上， 然后通過鋼纜牽引和氣囊的滾動(dòng)，使船舶緩慢的滑入水中  。

目前，我國中小型船舶生產(chǎn)企業(yè)普遍采用氣囊下水方式，雖然它具有經(jīng)濟(jì)便  利等優(yōu)點(diǎn)，但是與傳統(tǒng)的滑道式下水、軌道式下水、塢內(nèi)下水等下水方式相比， 氣囊下水方式還存在缺乏理論支撐，實(shí)際操作中不規(guī)范等問題。根據(jù)現(xiàn)有船舶建  造實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在建造船長小于180m的鋼質(zhì)普通船舶時(shí)，采用氣囊式下水方式基  本上還是可行的4。因此，標(biāo)準(zhǔn)(《船舶生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)條件基本要求及評(píng)價(jià)方法》 簡稱《船企評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》)中規(guī)定二級(jí) I 類以下的船舶生產(chǎn)企業(yè)允許使用氣囊式下  水方式，同時(shí)提出對(duì)采用氣囊下水的設(shè)施設(shè)備以及下水方案，需要進(jìn)行計(jì)算的要  求。然而，國內(nèi)外尚無這方面的計(jì)算方法和計(jì)算工具，有待研究和開發(fā)。

1 . 2論文研究的背景、意義

隨著世界船舶市場日趨興旺和船舶工業(yè)中心向中國的轉(zhuǎn)移，浙江的船舶工 業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。目前，在浙江省4300 公里海岸線上，已經(jīng)集聚 了300多家船舶制造廠，修造船能力躍升到全國第四，船舶工業(yè)已經(jīng)成為浙江海 洋經(jīng)濟(jì)和先進(jìn)制造業(yè)的重要組成部分，成為浙江省經(jīng)濟(jì)發(fā)展新的增長點(diǎn)。

氣囊下水是一項(xiàng)我國獨(dú)創(chuàng)的新型下水技術(shù)，具有過程簡單，無需固定滑道， 不損傷船底油漆，投資省、效率高、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)中小船舶企業(yè)發(fā)展起到  了極大的推動(dòng)作用。該技術(shù)從20世紀(jì)80年代初開始推廣，國內(nèi)已有近千家船廠  采用氣囊下水。浙江省大多數(shù)船廠規(guī)模偏小，沒有建造下水船臺(tái)，普遍采用氣囊下水。同時(shí)，氣囊下水技術(shù)正由我國逐漸走向世界，據(jù)報(bào)道，馬來西亞C.E.Ling  Enterprise Sdn.Bhd. 公司在米里新建的一家造船廠引進(jìn)我國的氣囊下水工藝， 廢棄了傳統(tǒng)的滑道下水模式。新加坡、印度尼西亞、日本等客商也來華考察此項(xiàng)  新工藝，并將根據(jù)各自的特點(diǎn)選購氣囊。美國軍方在小型艦艇維修時(shí)，也采用我  國的氣囊產(chǎn)品。預(yù)計(jì)在未來幾年，氣囊下水新工藝將在東南亞地區(qū)得到新一輪推

廣。

船舶下水是一種比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程，處置不當(dāng)，容易發(fā)生事故。常見的事 故有船舶尾落、首跌落、船底局部結(jié)構(gòu)受損、船側(cè)撞壞等。由于氣囊下水是一種 新的技術(shù)，主要依靠著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，幾乎未進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)的研究，盡管已 有2萬噸級(jí)的船舶利用氣囊下水的成功案例，但因缺乏研究和行業(yè)管理，該技術(shù) 沒有明確工藝和規(guī)程，主要是靠經(jīng)驗(yàn)操作，故而事故頻發(fā)。隨著氣囊承載力的提 高，采用氣囊下水的船舶愈來愈大，風(fēng)險(xiǎn)愈來愈高。發(fā)達(dá)國家的船東常常不相信

氣囊下水的技術(shù)，認(rèn)為該方法對(duì)船舶結(jié)構(gòu)有損傷，不許采用，因此，也影響了中 小船廠出口船舶的制造。

鑒于此，國防科工委在制訂即將實(shí)行的《船舶生產(chǎn)企業(yè)基本條件評(píng)價(jià)要求》 時(shí)，對(duì)氣囊下水的上限擬作出明確的規(guī)定，對(duì)于一類船廠不得使用氣囊下水，二  類船廠可以采用氣囊下水，但船長不得超過180米。這一限制不僅對(duì)于剛剛起  步的浙江民營造船業(yè)來說是一次巨大的打擊，對(duì)于整個(gè)浙江船舶工業(yè)也是一次重  創(chuàng)。對(duì)于船長小于180m 的船舶，《船舶生產(chǎn)企業(yè)基本條件評(píng)價(jià)要求》規(guī)定二類  企業(yè)雖然允許采用氣囊下水，但要求船舶生產(chǎn)企業(yè)采用該辦法的同時(shí)需要進(jìn)行論  證或計(jì)算，以保證船舶的安全。省主管部門按照國家的要求，進(jìn)行低質(zhì)量船舶的  治理整頓，急需氣囊下水安全評(píng)估的方法和程序，企業(yè)急需氣囊下水工藝規(guī)程和  船臺(tái)改造的依據(jù)，

基于上述背景，考慮到浙江船舶工業(yè)的實(shí)際情況，本文將致力于氣囊下水的 安全性研究。本文的研究意義在于：

1)通過系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，揭示氣囊下水的力學(xué)機(jī)理，提高氣囊下水 的科學(xué)性，確保船舶氣囊下水安全，最大程度地避免船舶氣囊下水的事故。

2)為國家制訂《船舶生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)條件基本要求》有關(guān)氣囊下水的上限提 供依據(jù)，為管理部門的決策提供參考。

3)提出適宜氣囊下水的船臺(tái)方案，降低浙江民營船舶企業(yè)的投資成本。

1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

上世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)不少單位對(duì)船舶下水的安全性進(jìn)行了研究。哈爾濱工程大學(xué)、武漢理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國船舶研究中心均對(duì)許多船舶滑  道下水做過實(shí)船和模型試驗(yàn)，提出了模型試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則和船舶下水的水動(dòng)力學(xué)  計(jì)算方法，可較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)船舶下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。滬東造船廠杜忠仁、上海交大  的顧永寧提出了彈性船體梁的計(jì)算方法，初步解決了船體和滑道的接觸范圍和支  反力的問題。但是，這些研究都是針對(duì)傳統(tǒng)的滑道下水。對(duì)于氣囊下水，當(dāng)船舶  在重力或鋼索牽引力的作用下向下或向上移動(dòng)時(shí)，氣囊與地面的接觸表面并不產(chǎn)  生相對(duì)位移，只是整個(gè)氣囊產(chǎn)生“剪切變形”。由于氣囊的囊壁既柔軟又富有彈  性，這種復(fù)雜的過程用“柔性蠕動(dòng)”來形容是非常恰當(dāng)?shù)?。此時(shí)船舶移動(dòng)的阻力  主要取決于囊壁抗扭變的能力、使用氣囊的尺寸和數(shù)量。而與地面的狀況(土質(zhì)、 不平度)關(guān)系不大。這一特點(diǎn)導(dǎo)致氣囊下水產(chǎn)生許多新的問題，有待研究。

1998 年濟(jì)南昌林氣囊容器廠與中船總公司綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院總結(jié)了多年 的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，共同起草提出了適用于3千噸以下船舶用氣囊上排、下水的工藝操

作規(guī)程《船舶用氣囊上排下水工藝要求》 (CB/T3837-1998), 從1999年6月1 日起開始實(shí)施。這2個(gè)規(guī)程對(duì)指導(dǎo)船舶氣囊下水過程、保證氣囊下水的安全性起 了很大的作用，但是該規(guī)程僅適用于3千噸以下船舶，不能解決目前1萬噸以上  的船舶的下水問題。

2001 年李明忠等對(duì)500 噸沿海集裝箱船氣囊下水的摩擦力進(jìn)行了分析計(jì) 算，2004 年江躍飛等介紹了氣囊下水工藝及其操作程序和注意事項(xiàng)。這些研究 只局限在對(duì)氣囊下水規(guī)程所規(guī)定的操作一些驗(yàn)算，沒有對(duì)整個(gè)氣囊下水在運(yùn)動(dòng)過 程中的力學(xué)問題進(jìn)行系統(tǒng)地研究、分析，無法對(duì)氣囊下水的安全性作出準(zhǔn)確的評(píng) 估，不能適應(yīng)船舶建造質(zhì)量控制高標(biāo)準(zhǔn)的要求。也沒有對(duì)氣囊下水的上限作出較 為明確的預(yù)測。有關(guān)氣囊下水工藝對(duì)船舶結(jié)構(gòu)的影響和伴隨造船工藝方面的變 化，還沒見報(bào)道。

由于世界造船中心從工業(yè)化國家逐步向后起工業(yè)化國家轉(zhuǎn)移，發(fā)達(dá)國家造船

越來越少，他們主要是用船塢造十萬噸以上的大船，已不再造幾萬噸的船舶，即  使造這樣的船舶，也是用傳統(tǒng)的滑道下水，不用由我國新近發(fā)明的氣囊下水技術(shù)， 所以國外關(guān)于船舶氣囊下水的研究未見報(bào)道。

查新結(jié)果表明，國內(nèi)除了浙江工業(yè)大學(xué)已開展此項(xiàng)研究之外，尚未見有關(guān)研 究的報(bào)道。

本文為浙江省重大科技項(xiàng)目“船舶氣囊下水技術(shù)研究與應(yīng)用”資助。

1.4本文的主要內(nèi)容

本文全面考慮了船舶氣囊下水安全性的各種影響因素，采用靜水力學(xué)方法進(jìn) 行下水計(jì)算。該方法將船體視為剛體，僅考慮船體所受的重力、浮力和滑道的支反力，在船體下滑的一系列位置進(jìn)行計(jì)算。盡管這種方法在力學(xué)模型上作了簡化， 但卻能反映了船舶下水的基本過程。本文一方面通過對(duì)船舶氣囊下水過程的理論 分析，對(duì)下水過程的安全性作出準(zhǔn)確地評(píng)估；另一方面優(yōu)化氣囊下水工藝，提出  船舶氣囊下水的船臺(tái)改造方案。

主要研究的內(nèi)容包括：

1)船舶氣囊下水過程的靜水力分析：編制實(shí)用的船舶氣囊下水靜水力計(jì)算 程序，進(jìn)行船舶氣囊下水4個(gè)階段的力學(xué)分析，揭示氣囊下水的規(guī)律。

2)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析：構(gòu)造關(guān)鍵艙段有限元模型，根據(jù)計(jì)算出的氣囊反力 的大小和作用范圍、重力和浮力等外部載荷，用結(jié)構(gòu)有限元法計(jì)算船底局部結(jié)構(gòu) 的應(yīng)力：

3)通過對(duì)5次船舶氣囊下水的實(shí)測結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證計(jì)算程序的準(zhǔn)確性。 4)提出適宜氣囊下水的船臺(tái)改造方案，進(jìn)行船臺(tái)改造后的計(jì)算。

最后，通過對(duì)實(shí)測和計(jì)算結(jié)果的比較、分析和總結(jié)，得出氣囊下水一些結(jié)論， 并對(duì)后續(xù)工作進(jìn)行了展望。

1.5 創(chuàng)新點(diǎn)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要有：

1)編制實(shí)用的船舶氣囊下水靜水力計(jì)算程序，進(jìn)行船舶氣囊下水4個(gè)階段 的力學(xué)分析，揭示氣囊下水的規(guī)律。

2)構(gòu)造關(guān)鍵艙段有限元模型，用結(jié)構(gòu)有限元法計(jì)算船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。

3)較全面地考慮氣囊下水時(shí)各種參數(shù)的影響，提出適宜氣囊下水的船臺(tái)改 造方案。