19200DWT散貨船氣囊下水計算

jimosea

根據(jù)船舶靜力學(xué)原理,編制船舶氣囊下水靜水力計算程序,進行19200DWT散貨船的氣囊下水計
算;采用非線性有限元程序,進行該船氣囊變形和總縱彎矩計算,驗證了自編程序的正確性;采用有限元程序,進行下水過程的船體應(yīng)力分析,并獲得船底板的最大應(yīng)力。最終證明了該船氣囊下水的安全性。

船舶 氣 囊 下 水 是 我 國 獨 創(chuàng) 的 新 型 下 水 技 術(shù)   ,對中小船舶企業(yè)發(fā)展起到了極大的推動作 用 。但是 , 由于該技術(shù)缺乏理論研究 ,安全性得不到 保證 。鑒此 , 國家級的《船舶生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)基本 條件評價要求 》和省級的《浙江省低質(zhì)量船舶專項 治理船廠檢查驗收實施辦法 》, 都明確要求船廠必 須進行氣囊下水論證或計算 。

20世紀 90 年代以來 , 國內(nèi)不少單位對船舶下 水的安全性進行了研究   。但是 , 這些研究都是 針對傳統(tǒng)的滑道下水 。對于氣囊下水 , 由于氣囊的 囊壁既柔軟又富有彈性 ,此時船舶支撐力主要取決 于氣囊的剛度 、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 。這一特點導(dǎo)致氣囊   下水產(chǎn)生了許多有待研究的新問題 。在浙江省科技   廳 、交通廳 、船舶行業(yè)協(xié)會的大力支持下 ,浙江工業(yè)   大學(xué)會同有關(guān)單位 ,進行了船舶氣囊下水技術(shù)研究 。 研究成果將為船舶氣囊下水的安全性評價提供理論   依據(jù) 、評價方法和手段 。

本文根據(jù)船舶靜力學(xué)原理   , 結(jié)合非線性有 限元程序 , 進行19200 DW T散貨船的氣囊下水計 算 ,驗證了自編程序的正確性 。

1   船舶氣囊下水的靜水力分析

1.  1   下水過程受力分析

如圖  1所示 ,船體在下水過程中的受力主要有 :

船體的重力 、水對船體的浮力 、氣囊對船體的支持力以及水對船體的粘性阻力和因附加質(zhì)量變化而產(chǎn)生的軸向質(zhì)量力 。船體的重力  G 是下水船舶各部分重量的合力 , 沿船臺方向的分力即為下滑力 。浮力F是船體入水部分所受水靜壓力的合力; 在不同的下水階段 , 由船舶的前后吃水再通過邦戎曲線得到船舶排開水的體積 , 從而得到浮力  F。氣囊支持力N 指在船臺上的氣囊對船舶提供的支持力 。在不同的時刻 , 每個氣囊所提供的支持力大小各不相同 , 各個氣囊提供的支持力取決與氣囊受壓后的高度和剛度 。

本文所做的靜力學(xué)計算忽略了水對船體的粘性阻力和因附加質(zhì)量變化而產(chǎn)生的垂向質(zhì)量力 , 只考慮船體自重 、浮力以及受到的氣囊反力 , 計算時以肋位為單位累積計算 。

如圖 2 所示 ,建立直角坐標系 ,  原點  O 在船臺端點處 , x 軸為水平面 , 船臺相對與水平面的傾角為α, 船舶基線相對與船臺的傾角為 β。在船體的基線方向的法線方向上建立平衡方程 , 將重力 、浮力以及氣囊的支持力投影到該方向 , 則可以得出方程 其中 m i 是每個肋位的質(zhì)量 , Fi  是每個肋位的 浮力 , Ni 是每個肋位氣囊的支持力 。將浮力 、重力和支持力對船臺端點取矩 ,得到以 下的方程 :其中 xi 是每個肋位到船臺端點的距離 。

對于確定的下水肋位 , 由于浮力和氣囊的支撐 力及其對船臺端點的矩都是船舶姿態(tài) (基線相對于 O 點的高度和基線相對于船臺的轉(zhuǎn)角 )的函數(shù) , 因此 通過求解公式 ( 1) 和 ( 2) 可以獲得下水到某個肋位 時的姿態(tài) ?？紤]船舶氣囊下水運動的各種參數(shù) ,如 : 船臺傾角 、船臺末端形狀 、船舶的吃水位置 、船體所 受浮力 、氣囊的壓縮剛度 、氣囊對船體的支撐力等 等 ,編制了實用的船舶氣囊下水靜水力分析程序 ,進 行  19 200 DW T散貨船的船舶氣囊下水的靜水力分 析 。所用主要參數(shù)見表  1、表  2 ,計算結(jié)果見表  3。

計算結(jié)果表明 ,采用非線性有限元程序的計算 結(jié)果與自編程序的所得結(jié)果吻合較好 , 如工況  3 非 線性有限元程序算出的最大彎矩是  57 400  kN  ·m , 自編程序的結(jié)果是  58 200 kN  ·m ,證明自編程序是 正確的 。在下水計算過程中 ,近似地將船體梁作為 剛體 ,計算船體的浮力和氣囊支撐力導(dǎo)致的誤差是 可以接受的 。

4   船體局部強度分析

采用三維有限元模型 ,選取散貨船貨艙  1 /2 個

NASTRAN 進行了艙段結(jié)構(gòu)的有限元分析 。圖  8 給 出了下水至  80 #肋位  (工況  3) 的船底板的應(yīng)力云 圖 。

有限元計算表明 , 下水過程中船底的應(yīng)力變化 較大 ,在下水  80個肋位時 , 由于此時出現(xiàn)尾落現(xiàn)象 , 船臺末端的氣囊壓縮量達到最大 ,氣囊的壓力也就 達到最大 ,導(dǎo)致經(jīng)過此處的船底板應(yīng)力達到最大值 , 合成應(yīng)力為  148 MPa ,但未超出材料屈服極限 ,且作 用的時間很短 , 尚不會對船底板造成永久的變形 。

5   結(jié)    語

通過對  19 200 DW T散貨船氣囊下水的系統(tǒng)分 析 。獲得如下結(jié)論 :

( 1)船體氣囊下水過程中采用靜水力方法 , 將 船體作為剛體 ,將氣囊作為非線性彈簧是可行的 ;

( 2)船體重心經(jīng)過船臺末端時 ,船體出現(xiàn)尾落 ; 在下水到  120 個肋位附近 ,船體出現(xiàn)尾浮 。氣囊下 水由于幾乎沒有水下的滑道 ,容易出現(xiàn)尾落現(xiàn)象 ;

( 3)有限元計算表明 , 下水過程中總縱應(yīng)力不 大 ;在船體重心經(jīng)過船臺末端時 , 即下水  80 個肋位 時 , 由于船臺末端的氣囊壓力很大 ,導(dǎo)致經(jīng)過此處的 船底板應(yīng)力較大 ,但未超出屈服極限 , 尚不會對船底 板造成永久變形 。

考慮船體靜止處于船臺上 (工況  1) 、下水  80個   肋位 (工況  3) 、下水  140個肋位  (工況  5) 、船體完全   下水 ,處于漂浮狀態(tài) (工況  7)氣囊位置和浮力 ,在模   型的兩端施加總縱彎矩 ,在船底板處施加氣囊的支   撐力和水的浮力 ,采用大型通用結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng) MSC-

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