船舶氣囊下水靜力學(xué)計算與結(jié)構(gòu)分析

永泰長榮

船舶是一種運動的大型鋼結(jié)構(gòu)，船舶下水是將船舶從建造船臺上

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

靠著實踐經(jīng)驗的積累，幾乎未進行理論和實驗的研究，主要是靠經(jīng)驗

操作，因而事故頻發(fā)。研究氣囊下水運動過程中的力學(xué)問題，以及下 水過程中船體的結(jié)構(gòu)強度，對船舶氣囊下水的安全性作出準(zhǔn)確的評

估，有重要社會意義和經(jīng)濟價值。

本文編制了氣囊下水的靜力學(xué)計算程序，結(jié)合實船進行了相關(guān)的

計算，并且對船體做了結(jié)構(gòu)分析。主要工作包括：

(1)對船舶氣囊下水過程進行了靜力學(xué)分析。

(2)使用 VC++編制了靜力學(xué)計算程序，通過對五條實測船舶的

計算和對比，驗證程序的準(zhǔn)確性。

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

條船舶的結(jié)構(gòu)進行有限元計算。

(4)分析了船舶氣囊下水的影響因素，提出了船臺改造的方案。

結(jié)果計算和結(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_，可以改善氣囊下水的安全性。本文

的計算結(jié)果可為今后更加合理地進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.

  船舶是一種運動的大型鋼結(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。船舶下水具有危險性，如稍有疏忽，會造成重大的損 失。長期以來，人們對船舶的下水作業(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 形后仍容易滾動的特點，先用起重氣囊將船舶從墩木上抬起，擱置于滾動氣囊上， 然后通過鋼纜牽引和氣囊的滾動，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)濟便  利等優(yōu)點，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，實際操作中不規(guī)范等問題。根據(jù)現(xiàn)有船舶建  造實踐經(jīng)驗，在建造船長小于180m的鋼質(zhì)普通船舶時，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)條件基本要求及評價方法》 簡稱《船企評價標(biāo)準(zhǔn)》)中規(guī)定二級 I 類以下的船舶生產(chǎn)企業(yè)允許使用氣囊式下  水方式，同時提出對采用氣囊下水的設(shè)施設(shè)備以及下水方案，需要進行計算的要  求。然而，國內(nèi)外尚無這方面的計算方法和計算工具，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)濟和先進制造業(yè)的重要組成部分，成為浙江省經(jīng)濟發(fā)展新的增長點。

氣囊下水是一項我國獨創(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、機動靈活等優(yōu)點，對中小船舶企業(yè)發(fā)展起到  了極大的推動作用。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，普遍采用氣囊下水。同時，氣囊下水技術(shù)正由我國逐漸走向世界，據(jù)報道，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  新工藝，并將根據(jù)各自的特點選購氣囊。美國軍方在小型艦艇維修時，也采用我  國的氣囊產(chǎn)品。預(yù)計在未來幾年，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)雜的運動過程，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)，主要依靠著實踐經(jīng)驗的積累，幾乎未進行理論和實驗的研究，盡管已 有2萬噸級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行的《船舶生產(chǎn)企業(yè)基本條件評價要求》 時，對氣囊下水的上限擬作出明確的規(guī)定，對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，對于整個浙江船舶工業(yè)也是一次重  創(chuàng)。對于船長小于180m 的船舶，《船舶生產(chǎn)企業(yè)基本條件評價要求》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)采用該辦法的同時需要進行論  證或計算，以保證船舶的安全。省主管部門按照國家的要求，進行低質(zhì)量船舶的  治理整頓，急需氣囊下水安全評估的方法和程序，企業(yè)急需氣囊下水工藝規(guī)程和  船臺改造的依據(jù)，

基于上述背景，考慮到浙江船舶工業(yè)的實際情況，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)的理論和實驗研究，揭示氣囊下水的力學(xué)機理，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)不少單位對船舶下水的安全性進行了研究。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許多船舶滑  道下水做過實船和模型試驗，提出了模型試驗的相似準(zhǔn)則和船舶下水的水動力學(xué)  計算方法，可較準(zhǔn)確的預(yù)報船舶下水的運動規(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，這些研究都是針對傳統(tǒng)的滑道下水。對于氣囊下水，當(dāng)船舶  在重力或鋼索牽引力的作用下向下或向上移動時，氣囊與地面的接觸表面并不產(chǎn)  生相對位移，只是整個氣囊產(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”來形容是非常恰當(dāng)?shù)?。此時船舶移動的阻力  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。這一特點導(dǎo)致氣囊下水產(chǎn)生許多新的問題，有待研究。

1998 年濟南昌林氣囊容器廠與中船總公司綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院總結(jié)了多年 的實踐經(jīng)驗，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 日起開始實施。這2個規(guī)程對指導(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500 噸沿海集裝箱船氣囊下水的摩擦力進行了分析計 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。這些研究 只局限在對氣囊下水規(guī)程所規(guī)定的操作一些驗算，沒有對整個氣囊下水在運動過 程中的力學(xué)問題進行系統(tǒng)地研究、分析，無法對氣囊下水的安全性作出準(zhǔn)確的評 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)已開展此項研究之外，尚未見有關(guān)研 究的報道。

本文為浙江省重大科技項目“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 行下水計算。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行計算。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。本文一方面通過對船舶氣囊下水過程的理論 分析，對下水過程的安全性作出準(zhǔn)確地評估；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：編制實用的船舶氣囊下水靜水力計算 程序，進行船舶氣囊下水4個階段的力學(xué)分析，揭示氣囊下水的規(guī)律。

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

3)通過對5次船舶氣囊下水的實測結(jié)果的對比，驗證計算程序的準(zhǔn)確性。 4)提出適宜氣囊下水的船臺改造方案，進行船臺改造后的計算。

最后，通過對實測和計算結(jié)果的比較、分析和總結(jié)，得出氣囊下水一些結(jié)論， 并對后續(xù)工作進行了展望。

1.5 創(chuàng)新點

本文的創(chuàng)新點主要有：

1)編制實用的船舶氣囊下水靜水力計算程序，進行船舶氣囊下水4個階段 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)有限元法計算船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。

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