船舶氣囊下水安全性評估方法研究

jimosea

氣囊下水是船舶下水的一種創(chuàng)新方式，但是氣囊下水過程中船體強度和氣囊的安全性還沒有定量的計算方法。近年采用氣囊下水的船舶重量不斷增大，下水安全性問題日益突出。本文考慮氣囊剛度的非線性、下水過程中船體的力平衡條件等，提出了一種基于全船結(jié)構(gòu)有限元分析的船體結(jié)構(gòu)和氣囊安全性評估方法。研究的內(nèi)容和結(jié)果是緊密結(jié)合工程實際的．(1)考慮氣囊壓縮變形的非線性，研究了一種預(yù)報氣囊剛度的有效方法；(2)基于彈性下水理論，研究了一種考慮彈性基座剛度非線性變化的船體梁運動和受力的計算方法；(3)提出了直接采用全船結(jié)構(gòu)有限元分析計算船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和氣囊受力的方法；(4)對某型實船進(jìn)行了氣囊下水的安全性分析，并與文獻(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行比較，驗證了氣囊下水工藝的優(yōu)越性和本文建議方法的準(zhǔn)確性。


氣囊下水是平地造船的一項關(guān)鍵技術(shù)。它不需要固定式下水滑道，具有省時，省力、安全可靠、綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點。相應(yīng)的《船舶上排下水用氣囊》標(biāo)準(zhǔn)【2】和《船舶用氣囊上排、下水工藝要求》標(biāo)準(zhǔn)13l已經(jīng)頒布。按照這兩個標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成功完成了自重8000噸貨船的氣囊式下水。隨著下水船舶重量在不斷增加，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)是否還能保證船舶和氣囊在下水過程中的安全性，一直沒有一個定量計算方法來予以評估。這在一定程度上限制了氣囊下水工藝應(yīng)用的推廣。事實上，在船舶氣囊下水過程中，船體底部的氣囊反力以及船體總彎曲力矩和局部應(yīng)力的變化非常復(fù)雜，特別是在底部氣囊反力變化劇烈的情況下，可能發(fā)生氣囊爆炸，同時船體某些部位應(yīng)力超過許用值，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。
為保證船舶安全下水，應(yīng)采用科學(xué)的計算方法來預(yù)報下水過程中船體結(jié)構(gòu)的受力情況和預(yù)先采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧?。常用的船舶下水強度計算方法主要是針對船舶滑道下水提出的，有船體剛性下水計算方法、彈性下水計算方法t41及將彈性下水方法與有限元技術(shù)結(jié)合的方法。剛性下水計算方法將下水船體簡化為一根剛性梁，該方法僅能計算下水姿態(tài)，不能計算船底反力分布和船體內(nèi)力。彈性下水計算方法則認(rèn)為船體是一根彈性梁，船舶底部支撐系統(tǒng)是船體梁的彈性基座，船體梁在重力、浮力和支反力作用下處于平衡。因此該方法可以相對準(zhǔn)確地計算出滑道下水過程中船體運動和受力情況。但氣囊下水過程使用的滾動氣囊的變形是非線性的，傳統(tǒng)的彈性下水計算方法無法考慮基座變形的非線性，因此需要對其進(jìn)行改進(jìn)，使它能準(zhǔn)確預(yù)報氣囊下水過程中船舶的運動、受力及氣囊的支撐情況。
另一方面，該方法仍然將船體簡化成一根梁，這就使得它無法考核船舶局部強度以確定最合理的下水方案。隨著計算機(jī)計算能力的不斷增強和大型有限元軟件的應(yīng)用，使得這一問題可以順利地解決。借助有限元計算的定量分析方法，可以準(zhǔn)確預(yù)報氣囊下水過程中氣囊的安全性和船體局部結(jié)構(gòu)的強度。作者基于彈性下水基本理論，研究一種適用于剛度非線性變化的氣囊彈性基座的下水運動和受力預(yù)報方法；并結(jié)合有限元分析手段，提出一種氣囊下水安全性的評估方法。在考慮氣囊壓縮變形非線性的基礎(chǔ)上，找到一種預(yù)報氣囊剛度足的有效方法。最后對實船進(jìn)行氣囊下水的安全性分析。

氣囊下水中船舶強度和氣囊安全性評估方法
氣囊下水中船舶強度和氣囊安全性評估方法的基本思想是應(yīng)用船舶靜力學(xué)和彈性力學(xué)的原理進(jìn)行下水系統(tǒng)的運動和受力分析，并結(jié)合有限元法進(jìn)行相關(guān)的分析和評估。

氣囊下水工藝
與以往滑道下水采用支墩、橫梁和滑道承載船舶的下水方式不同，氣囊下水【1~3】是在船底布置一定數(shù)量的氣囊承載船舶的下水工藝。船舶下水時，在船體底部放入起重氣囊進(jìn)行抬升，到達(dá)預(yù)定位置后，依次拆出支墩；同時按次序和間距放入滾動氣囊，等滾動氣囊全部充氣完畢，撤出起重氣囊。啟動牽引絞車，慢慢放出鋼纜，船體借助滾動氣囊開始移動。當(dāng)艏部最前一只氣囊脫離船底后，立即抬到艉部，并按氣囊排放間距置入氣囊。重復(fù)上述過程，逐漸將船移至水邊。此時，船舶依靠自身重力滑移下水或者用牽引絞車控制入水；回收氣囊，下水完成。氣囊下水的工藝布置如圖1所示。

氣囊下水工藝
氣囊下水運動與受力分析
船舶下水作業(yè)后一段時間內(nèi)，船體的重量分布在全部氣囊上。隨著滑程增大，船體后部浮力增大到一定程度，船體后部浮起，部分仍在坡道范圍內(nèi)的氣囊也與船體脫離；船體重量由浮力和前部的那～些氣囊承擔(dān)，船底反力逐漸向艏部集中，直到船體全部起浮。整個過程，氣囊的變形、反力和船體浮力、縱傾角等都是在不斷改變的，而準(zhǔn)確地預(yù)報整個下水過程的運動及受力情況對有限元分析的準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的。下水船舶彈性計算方法就能比較好地解決這個問題。